CN114462280A - 一种一体化弹药设计及使用方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明构建的一体化弹药设计及使用方法和系统，包括弹药的结构参数化建模、内弹道解算及发射强度校核、气动布局及弹形系数计算、外弹道解算及射击精度计算、毁伤威力计算，形成完备的弹药数据库，缩短弹药研制周期、使相关人员对弹药的原理构造有更深入全面的理解；构建毁伤评估与弹药决策策略，包括目标易损性数据库、弹目交会条件计算，连接弹药一体化设计，对弹药对目标的毁伤效果进行评估，并根据来袭目标的种类、数量、弹目交会条件，给出弹药使用方案，辅助战场指挥决策；执行模拟训练，在日常训练中能够真切体会弹药对目标的毁伤效果、熟知各型弹药的使用特点、克服战场恐惧心理，通过VR虚拟现实技术，使战士真实地感受战场的炮火硝烟。

Description

一种一体化弹药设计及使用方法和系统

技术领域

本发明涉及弹药设备技术领域，尤其涉及一种一体化弹药设计及使用方法和系统。

背景技术

弹药系统在战争中负责终点毁伤，决定战争走势，改变战争格局，合理设计弹药系统，充分发挥其毁伤能力是国家防御的持续重要需求。弹药结构上看似简单，其中却蕴含着诸多极端问题，例如发射过程中承受巨大的过载压力，在该压力作用下战斗部壳体是否能够满足强度要求；弹丸在空气中高速飞行，质心位置、转动惯量稍有偏差，弹丸便会失去射击精度甚至直接坠落；弹目交会时，由于双方均是高速运动，交会条件稍微变化，便有可能导致弹丸无法杀伤目标，或者造成较大附带毁伤。由于缺乏成熟的一体化设计方法，弹药往往研制周期长、研制开销大；在战场使用时，由于对其作用原理及使用特点不熟悉，导致无法充分发挥其毁伤威力，并造成使用浪费。

目前尚缺乏对包含弹药一体化设计、毁伤评估与弹药决策、模拟训练系统的弹药综合设计与使用系统的较为成熟的研究。现有弹药设计与使用系统，模块分散，难以实现弹药从设计到使用再到优化的循环体系；毁伤评估系统数据库数据匮乏，毁伤评估结果与实战联系不紧密，没有建立毁伤评估系统与作战指挥系统的有效关联；缺乏弹药模拟训练系统，战士难以掌握其作用原理及使用特点，导致无法充分发挥其毁伤威力。

发明内容

本发明旨在构建完整的弹药设计与使用系统，涵盖弹药的设计、毁伤评估和使用决策、以及用于模拟训练的虚拟显示。通过这一研究形成完整的弹药“设计-使用-优化”循环体系，为缩短弹药研制周期、提高弹药毁伤威力、提升部队作战能力提供理论依据和技术支持。

第一方面，本申请实施例提供了一种一体化弹药设计及使用方法，其特征在于，所述一体化弹药设计及使用方法包括步骤：

获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构；

分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定所述弹药满足所述战术技术需求指标；

对满足所述战术技术需求指标的所述弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案；

基于所述构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展所述弹药的模拟训练。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构，还包括：

所述弹药包括榴弹和穿甲弹；

所述用户的战术技术需求指标至少包括弹药的射程、精度、威力；

当所述弹药为榴弹时，所述设计弹药的初步结构至少包括弹丸质量及装填比、弹体全长、弹体直径及壁厚、弹头部长度及头部弧形半径、船尾部长度及角度、弹体及装药材料；

当所述弹药为穿甲弹时，所述设计弹药的初步结构至少包括弹身直径、弹身长度、头部长度、弹体全长、弹身环形齿尺寸和数量、翼片面积、翼片长度、翼片厚度、翼片平均弦长、弹体及弹托材料。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定所述弹药满足所述战术技术需求指标，还包括：

所述弹药的性能指标至少包括内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算；

根据所述内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算的结果，判断所设计的所述弹药的弹丸炮口初速及膛压、射程、精度、威力是否满足战术技术需求指标；

如果不能满足所述战术技术需求指标，则修改弹体结构尺寸进入下一轮设计。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述对满足所述战术技术需求指标的所述弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案，还包括：

构建常规弹药数据库和典型目标易损性数据库；

调用所述常规弹药数据库和典型目标易损性数据库，根据所述弹药和目标运动特点，所述弹药的射击精度和散布，判断弹目交会状态，构建弹目交会判断与毁伤评估策略；

根据战场实际情况计算不同类型弹药在不同射击条件下对目标的毁伤效果，制作毁伤概率射表，建立射击条件与弹药毁伤概率之间的联系，构建战场弹药毁伤评估与辅助快速决策方案。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述基于所述构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展所述弹药的模拟训练，还包括：

查看弹丸的内弹道发射行程、外弹道飞行轨迹；

构造战争场景，设定来袭目标的种类、数量、方位；

将所述来袭目标的种类、数量、方位导入目标模型；

设定不同的弹药种类、弹药数量及弹目交会条件，以桌面虚拟显示的形式模拟弹药对目标的毁伤效果。

第二方面，本申请实施例提供了一种一体化弹药设计及使用系统，其特征在于，所述一体化弹药设计及使用系统，包括：弹药一体化设计模块、毁伤评估与弹药决策模块、模拟训练模块；

所述弹药一体化设计模块用于获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构，分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定所述弹药满足所述战术技术需求指标；

所述毁伤评估与弹药决策模块对满足所述战术技术需求指标的所述弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案；

所述模拟训练模块基于所述构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展所述弹药的模拟训练。

在上述第二方面的一种可能的实现中，所述弹药一体化设计模块用于获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构，还包括：

所述弹药包括榴弹和穿甲弹；

所述用户的战术技术需求指标至少包括弹药的射程、精度、威力；

当所述弹药为榴弹时，所述设计弹药的初步结构至少包括弹丸质量及装填比、弹体全长、弹体直径及壁厚、弹头部长度及头部弧形半径、船尾部长度及角度、弹体及装药材料；

当所述弹药为穿甲弹时，所述设计弹药的初步结构至少包括弹身直径、弹身长度、头部长度、弹体全长、弹身环形齿尺寸和数量、翼片面积、翼片长度、翼片厚度、翼片平均弦长、弹体及弹托材料。

在上述第二方面的一种可能的实现中，所述弹药一体化设计模块分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定所述弹药满足所述战术技术需求指标，还包括：

所述弹药的性能指标至少包括内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算；

根据内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算的结果，判断所设计的所述弹药的弹丸炮口初速及膛压、射程、精度、威力是否满足战术技术需求指标，如果不能满足设计要求，则修改弹体结构尺寸进入下一轮设计。

在上述第二方面的一种可能的实现中，所述毁伤评估与弹药决策模块对满足所述战术技术需求指标的所述弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案，还包括：

构建常规弹药数据库和典型目标易损性数据库；

调用所述常规弹药数据库和典型目标易损性数据库，根据所述弹药和目标运动特点，所述弹药的射击精度和散布，判断弹目交会状态，构建弹目交会判断与毁伤评估策略；

根据战场实际情况计算不同类型弹药在不同射击条件下对目标的毁伤效果，制作毁伤概率射表，建立射击条件与弹药毁伤概率之间的联系，构建战场弹药毁伤评估与辅助快速决策方案。

在上述第二方面的一种可能的实现中，所述模拟训练模块基于所述构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展所述弹药的模拟训练，还包括：

查看弹丸的内弹道发射行程、外弹道飞行轨迹；

构造战争场景，设定来袭目标的种类、数量、方位；

将所述来袭目标的种类、数量、方位导入目标模型；

设定不同的弹药种类、弹药数量及弹目交会条件，以桌面虚拟显示的形式模拟弹药对目标的毁伤效果。

本发明所请求保护的一体化弹药设计及使用方法和系统通过获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构；分析设计出初步结构的弹药的性能指标，确定弹药满足战术技术需求指标；对弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案；构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展弹药的模拟训练。本发明从现代计算机技术的高速发展作为切入点，开展一体化弹药设计及使用系统研究，遵循“设计-分析-优化”的一体化原则，为提高弹药研制效率提供了新的思路，为战场弹药的决策使用提供了新的概念，利用虚拟现实显示技术，模拟弹药对目标的毁伤效应，使战士掌握相关弹药的作用原理、使用特点，为提高作战能力提供了新的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用方法的工作流程图。

图2A-2C根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用方法的详细设计路线图；

图3根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用系统的结构模块图；

图4A-4B根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用系统的系统架构图；

图5根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用系统的开发模式架构图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本申请的说明性实施例包括但不限于一种一体化弹药设计及使用方法和系统。

可以理解，本申请提供的一体化弹药设计及使用方法可以在各种系统上实施，包括但不限于，服务器、多个服务器组成的分布式服务器集群、手机、平板电脑、膝上型计算机、台式计算机、可穿戴设备、头戴式显示器、移动电子邮件设备、便携式游戏机、便携式音乐播放器、阅读器设备、个人数字助理、虚拟现实或者增强现实设备、其中嵌入或耦接有一个或多个处理器的电视机等数据搜索系统等。

可以理解，在本申请各实施例中，处理器可以是微处理器、数字信号处理器、微控制器等，和/或其任何组合。根据另一个方面，处理器可以是单核处理器，多核处理器等，和/或其任何组合。

下面对本申请实施例的发明构思进行简要介绍。

图1根据本申请的第一实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用方法的工作流程图，一体化弹药设计及使用方法包括步骤：

获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构；

分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定弹药满足战术技术需求指标；

对满足战术技术需求指标的弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案；

基于构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展弹药的模拟训练。

本发明以需求为导向，设计形成弹药数据库，包括弹药的基本信息如结构尺寸、重量、装药类型、装药量、发射药类型；内弹道性能参数如发射膛压、初速；外弹道性能参数如弹形系数、射程、射高、射击精度；弹药的终点弹道性能参数，如毁伤元的质量分布、速度分布、飞散角度、空中飞行速度衰减，爆炸冲击波的传播和衰减，可以作为毁伤评估与决策分的输入条件，传输到毁伤评估与决策策略处理，根据毁伤评估与决策策略设定的目标易损性、弹目交会条件，输出毁伤评估报告，根据来袭目标的特性和毁伤要求，确定弹药使用决策。采用可视化延伸，用户可以根据一体化设计分系统设计的弹丸及计算的内外弹道性能和终点弹道性能，通过模拟训练查看弹丸的内弹道发射行程、外弹道飞行轨迹以及终点爆炸冲击波场和破片飞散场；可以结合毁伤评估与决策策略，在给定来袭目标的类型、飞行轨迹等条件下，选择不同的弹药及射击条件，查看对目标的毁伤效果，达到模拟训练的效果。

具体的，获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构，还包括：

弹药包括榴弹和穿甲弹；

用户的战术技术需求指标至少包括弹药的射程、精度、威力；

当所述弹药为榴弹时，设计弹药的初步结构至少包括弹丸质量及装填比、弹体全长、弹体直径及壁厚、弹头部长度及头部弧形半径、船尾部长度及角度、弹体及装药材料；

当所述弹药为穿甲弹时，设计弹药的初步结构至少包括弹身直径、弹身长度、头部长度、弹体全长、弹身环形齿尺寸和数量、翼片面积、翼片长度、翼片厚度、翼片平均弦长、弹体及弹托材料。

针对穿甲弹和榴弹，开展弹药一体化设计研究，集成弹丸几何模型参数化设计、内外弹道性能仿真及计算、终点毁伤威力计算，综合CAD/CAE、数据库技术，遵循“设计-分析-优化”的原则，设计阶段首先根据战术技术需求指标，确定初步结构，然后通过分析其内外弹道及终点弹道性能，检验所设计结构是否满足既定战术技术需求指标，根据分析结果优化结构，进入下一个设计循环，直至设计产品能够满足或超过战术技术需求指标。

具体的分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定弹药满足战术技术需求指标，还包括：

弹药的性能指标至少包括内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算；

根据内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算的结果，判断所设计的弹药的弹丸炮口初速及膛压、射程、精度、威力是否满足战术技术需求指标；

如果不能满足战术技术需求指标，则修改弹体结构尺寸进入下一轮设计。

进一步地，图2A根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用方法的详细设计路线图，其为榴弹一体化设计路线；

结构设计及材料选择，主要考虑弹丸质量及装填比、弹体全长、弹体直径及壁厚、弹头部长度及头部弧形半径、船尾部长度及角度、弹体及装药材料。

内道弹运动分析，主要包括在已知火药性能参数、火炮身管长度、药室容积、火炮口径、弹丸质量、弹丸运动启动压力的前提下，通过内弹道方程计算弹丸的出炮口速度、弹丸膛内运动的膛压曲线、速度曲线，并结合有限元分析软件校核弹体在膛内运动的发射强度。

外弹道性能计算，主要是首先根据弹丸质量及装填比、弹体全长、弹体直径及壁厚、弹头部长度及头部弧形半径、船尾部长度及角度等结构参数，计算弹丸的极转动惯量、赤道转动惯量、质心位置、压心位置、弹体压心系数、升力系数，进而得到弹体的陀螺稳定因子和追随稳定因子，校核弹丸的飞行稳定性；根据弹丸的极转动惯量、赤道转动惯量、质心位置、压心位置、弹体压心系数、升力系数，结合飞行速度马赫数、空气流动雷诺数，计算弹体受到的飞行阻力，进而根据弹丸质量和直径、弹形系数、内弹道计算得到的弹丸炮口初速、以及射击角度，通过外弹道方程解算得到弹丸在空气中飞行的射程、速度、射高、落角时程曲线；外弹道性能计算还包括根据弹丸的气动不均匀性和质量不均匀性、以及考虑炮口章动和风偏影响，计算弹丸的射击精度，包括落点密集度和立靶密集度。

终点毁伤威力计算，包括考虑着靶速度和角度，根据弹丸质量、直径、密度等参数，计算弹丸的爆炸冲击波场和破片质量分布及飞散场，结合靶板材料的密度、厚度和屈服强度，计算弹丸爆炸产生的毁伤元对靶板的毁伤效果。根据内外弹道以及终点弹道计算的结果，判断所设计的弹丸炮口初速及膛压、射程、精度、威力是否满足战术技术需求指标，如果不能满足设计要求，则修改弹体结构尺寸进入下一轮设计。

具体的，对满足战术技术需求指标的弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案，还包括：

构建常规弹药数据库和典型目标易损性数据库；

调用常规弹药数据库和典型目标易损性数据库，根据弹药和目标运动特点，弹药的射击精度和散布，判断弹目交会状态，构建弹目交会判断与毁伤评估策略；

根据战场实际情况计算不同类型弹药在不同射击条件下对目标的毁伤效果，制作毁伤概率射表，建立射击条件与弹药毁伤概率之间的联系，构建战场弹药毁伤评估与辅助快速决策方案。

相对应的，图2B根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用方法的详细设计路线图，其为穿甲弹一体化设计路线；

具体功能为：结构设计及材料选择，主要考虑弹身直径、弹身长度、头部长度、弹体全长、弹身环形齿尺寸和数量、翼片面积、翼片长度、翼片厚度、翼片平均弦长、弹体及弹托材料。

内道弹运动分析，主要包括在已知火药性能参数、火炮身管长度、药室容积、火炮口径、弹丸质量、弹丸运动启动压力的前提下，通过内弹道方程计算弹丸的出炮口速度、弹丸膛内运动的膛压曲线、速度曲线，并结合有限元分析软件校核弹体在膛内运动的发射强度。

外弹道性能计算，主要是首先根据弹身直径、弹身长度、头部长度、弹体全长、翼片面积、翼片长度、翼片厚度、翼片平均弦长等结构参数，计算弹身和尾翼的压心系数、升力系数，进而得到弹体的稳定储备量，校核弹丸的飞行稳定性；根据弹身直径、弹身长度、头部长度、头部顶角、翼片面积、翼片长度、翼片厚度、翼片平均弦长，结合飞行速度马赫数、空气流动雷诺数，计算弹体受到的飞行阻力，进而根据弹丸质量和直径、弹形系数、内弹道计算得到的弹丸炮口初速、以及射击角度，通过外弹道方程解算得到弹丸在空气中飞行的射程、速度、射高、落角时程曲线；外弹道性能计算还包括根据弹丸的气动不均匀性和质量不均匀性、以及考虑炮口章动和风偏影响，计算弹丸的射击精度，包括落点密集度和立靶密集度。

终点毁伤威力计算，包括考虑着靶速度和角度，根据弹丸质量、直径、密度等参数，结合靶板材料的密度、厚度和屈服强度，计算弹丸的极限穿透速度或侵彻深度。根据内外弹道以及终点弹道计算的结果，判断所设计的弹丸炮口初速及膛压、射程、精度、威力是否满足战术技术指标，如果不能满足设计要求，则修改弹体结构尺寸进入下一轮设计。

进一步地，图2C根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用方法的详细设计路线图，其为毁伤评估与弹药决策设计路线图，其包括：

(A)构建常规弹药数据库，(B)典型目标系统及结构分析，(C)毁伤模式、等级及毁伤准则，(D)建立等效模型，(E)弹目交会判断及毁伤评估，(F)弹药决策；

(A)构建常规弹药数据库包括：搜集并计算常规防空弹药基本信息并录入常规防空弹药数据库，包括弹药的基本信息如结构尺寸、重量、装药类型、装药量、引信类型、发射药类型；内弹道性能参数如发射膛压、初速；外弹道性能参数如弹形系数、射程、射高、射击精度；计算弹药的终点弹道性能参数，如毁伤元的质量分布、速度分布、飞散角度、空中飞行速度衰减，爆炸冲击波的传播和衰减。

弹药类型包括常规自然破片战斗部、预制与预控破片战斗部、集束破片战斗部、聚能装药与破片组合战斗部，数据库具备删、增、改、查功能。

(B)典型目标系统及结构分析包括确定典型空中目标的任务及任务完成途径，对它们进行系统划分、功能定位，在清楚掌握目标的作战信息，基本组成的基础上对典型空中目标的工作原理进行详细研究，结合部件串行完成功能以及部分冗余设计的并行完成或者冗余切换设计研究，厘清部件与分系统之间、各系统之间、系统与整体之间的功能逻辑关系。

飞机的蒙皮大部分是用铝合金压制的，还有前机匣、飞机框架、肋条等也大多采用铝合金材料；镁合金主要应用于发动机机匣、油泵和油管、齿轮箱、摇臂、舱门和舵面等；飞机发动机、防弹部位、强化部位、加固部位、燃烧室、涡轮轴、涡轮盘、喷口等构件多采用钛合金；超高强度钢主要应用于启动架构件、发动机轴等；另外出于轻量化、防护需求等的考虑，典型空中目标还往往应用了大量的高分子聚合物材料(如橡胶、尼龙、聚乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺等)、纤维增强复合材料(如碳纤维环氧树脂复合材料、玻璃钢等)，防弹陶瓷、玻璃等脆性材料；由于来袭目标的特殊性，通常还需要考虑其推进系统和战斗部携带的含能材料，如推进剂、炸药等。

因此需要收集并整理金属材料类(铝合金、不锈钢、高强钢、钛合金等)在准静态载荷下弹塑性参数，如弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度、强化系数和冲击韧性等，以及常用的JONHSON-COOK等应变率相关强度和失效模型参数，如硬化常数、应变率系数、硬化指数、热软化指数。收集并整理陶瓷、玻璃等脆性材料的弹性模量、抗拉强度、应变率系数等，以及JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS等适用于脆性材料的强度模型参数。

收集并整理纤维增强复合材料(碳纤维环氧树脂复合材料、玻璃钢等)的各个方向的弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度，以及常用的HASHIN准则、PUCK准则和CHANG-CHANG准则等损伤判据参数。

收集并整理高分子聚合物材料(橡胶、尼龙、聚乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺)的弹性模量、泊松比、屈服强度，以及OGDEN、朱-王-唐等粘弹性模型和损伤演化模型参数。收集并整理含能材料(推进剂、炸药等)冲击起爆压力、爆压、爆热等参数。

(C)毁伤模式、等级及毁伤准则包括分析典型空中目标的毁伤模式，划分毁伤等级，确定毁伤准则。如导弹的战场使命是准确制导，将导弹战斗部运送到目标区，并适时可靠地引爆战斗部从而毁伤目标。

导弹可能的毁伤模式有：(1)不能准确的飞向攻击目标(偏航)I(2)不能引爆战斗部(哑弹)；(3)灾难性毁伤(解体)。导致这些毁伤模式的机理非常复杂，例如，导弹在破片或冲击波作用下，弹体的局部压跨、变形、折弯、翼片的折断、变形等都可能引起气动力的不对称而使导弹偏航，导引头以及控制系统毁伤、燃料泄漏、发动机失效等也能引起导弹不能准确飞向攻击的目标。导弹的引信及传爆序列受到损坏，可能出现哑弹。导弹的毁伤等级划分如表1所示。

表1毁伤等级划分

关于毁伤准则，首先在物理层面上，确定毁伤元作用下的部件级破坏现象，如变形、穿孔、破碎等；然后在功能层面上，毁伤元作用下分系统功能级破坏情况，利用毁伤树方法、层次分析方法，建立毁伤元造成的部件毁伤与分系统功能损失程度的量化关系。

(D)建立等效模型包括首先针对复合材料、高分子材料、陶瓷、有机玻璃等材料，根据其在破片、动能杆、射流、EFP等毁伤元作用下的变形及破坏特点，利用强度等效理论、剩余穿深等效理论和能量等效准则等将其等效为2A12铝合金或45号钢等常用材料，采用数值模拟和靶场试验等手段对等效结构进行校正。

对于加强筋肋等异形结构，基于板壳理论计算加筋板中筋条夹杂对整板在外力作用下的变形影响及内部的应力应变分布，预测变形过程中的应力集中情况，破坏初始位置及相应的条件。计算应力集中因子，得到整体结构在主要变形方向上的等效力学性能，并建立加筋板的等效材料参数模型。对于夹层结构，利用刚度理论将将夹层板等效为与原夹层板不等厚度的各向同性壳，既能承受垂直面板的剪力和弯矩，又能承受面内的压力和剪切，使等效板与夹层板的弯曲刚度、平面刚度及剪切刚度对应相等。对于某些内部构造复杂，但防护等效低的部件，以冲击能量等等效准则设计其等效靶板，建立承受相同冲击能量的等效靶板材料和厚度。

对整个关重构件或分系统进行等效时，在材料等效的基础上，对于形状规则，外形规整的部件，可以使用标准几何体如长方体、圆柱体等来描述其几何形态。而对于由大量复杂结构的分析系统或构件，很难使用标准几何图形去近似等效所有部件。因此，单独对某些具有代表性且形态较为特殊的关重部件，重新定义一种或几种“专属”的等效几何体。

(E)弹目交会判断及毁伤评估包括弹目交会参数包括：弹药参数如弹丸速度、偏航角、弹道倾角；目标参数如目标速度大小、目标偏航角、目标轨迹倾角；交会参数如弹目距离、目标高低角、目标方位角。利用射击线技术和MONTE CARLO随机方法来模拟弹目交会。射击线技术是通过带有一定标识数、质量、速度、源发点及方向角的射击线，对弹丸或破片的飞行弹道与目标交会行为进行随机模拟，并根据目标三维数据确定交会点坐标及贯穿路径。射线跟踪法的关键技术包括：射线的产生、偏转、分叉和终止准则。其中，射线的产生是指毁伤元穿透靶板，具有剩余质量和剩余速度。射线的偏转是指毁伤元在一定入射角穿透靶板时产生偏转。射线的分叉是指毁伤元在与靶板碰撞过程中发生破碎或产生碎片云，每一个碎片都代表一条新的射线。射线的终止则表示弹丸或破片无法穿透靶板。计算过程中，首先要判断射线是否与目标结构或部件面元相交，如果相交，则说明毁伤元击中了目标的结构或部件，利用输入的目标结构、部件的几何特征数据，根据解析几何的坐标变换理论，进行射线与平面或二次曲面的求交运算，便可得到撞击点的坐标、撞击角度和撞击时间等数据，利用侵彻方程判断毁伤元是否能击穿靶板，并获取毁伤元的剩余质量、剩余速度，由此决定射线的产生和终止。MONTE CARLO随机模拟方法是以数理统计理论为基础，通过随机变量的统计试验来近似求解数学或物理问题，它通过数学方法产生具有已知分布随机数，输入到由这些随机变量所决定的未知随机变量的数学模型中，计算出未知随机变量的随机数，从而得到所求随机变量分布的统计值，当仿真次数足够多时就可以获得很高的精确度。

根据射线法和剩余速度的计算，统计各个部件上击穿的破片数目后，根据毁伤准则可获得各个关键部件的毁伤概率。根据毁伤树中各关键部件之间的逻辑连接关系进行概率运算，即通过关键部件(底事件)毁伤概率算出各子系统(中间事件)毁伤概率进而求得对应于各功能系统或毁伤等级(顶事件)的毁伤概率。

根据弹目交会时弹丸速度、偏航角、弹道倾角，利用外弹道方程解算反推弹丸的射击条件信息如射击初速、射击角度等，建立射击条件与毁伤概率之间的关系，即制作针对特定目标的毁伤概率射表，射表内容包括目标类型、目标来袭参数(包括目标速度大小、目标偏航角、目标轨迹倾角)，以及对应来袭条件下不同射击条件对应的毁伤等级及概率。

(F)弹药决策包括当空中目标来袭时，输入来袭目标类型及来袭参数包括目标速度大小、目标偏航角、目标轨迹倾角)，根据毁伤概率射表，给出弹药使用方案，包括使用弹药的类型(自然破片战斗部、预制与预控破片战斗部、集束破片战斗部还是聚能装药与破片组合战斗部)、射击条件(射击初速及角度)、需要使用的弹药数量。

具体的，基于构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展弹药的模拟训练，还包括：

构造战争场景，设定来袭目标的种类、数量、方位；

将来袭目标的种类、数量、方位导入目标模型；

设定不同的弹药种类、弹药数量及弹目交会条件，以桌面虚拟显示的形式模拟弹药对目标的毁伤效果。

上述开展弹药的模拟训练为一体化弹药设计及使用方法可视化延伸，用户可以根据一体化设计方法设计的弹丸及计算的内外弹道性能和终点弹道性能，通过模拟训练查看弹丸的内弹道发射行程、外弹道飞行轨迹以及终点爆炸冲击波场和破片飞散场；可以结合毁伤评估与决策策略，在给定来袭目标的类型、飞行轨迹等条件下，选择不同的弹药及射击条件，查看对目标的毁伤效果，达到模拟训练的效果。

图3根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用系统的结构模块图，所述一体化弹药设计及使用系统，包括：弹药一体化设计模块、毁伤评估与弹药决策模块、模拟训练模块；

弹药一体化设计模块用于获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构，分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定弹药满足战术技术需求指标；

毁伤评估与弹药决策模块对满足战术技术需求指标的弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案；

模拟训练模块基于构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展弹药的模拟训练。

具体的，弹药一体化设计模块用于获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构，还包括：

弹药包括榴弹和穿甲弹；

用户的战术技术需求指标至少包括弹药的射程、精度、威力；

当弹药为榴弹时，设计弹药的初步结构至少包括弹丸质量及装填比、弹体全长、弹体直径及壁厚、弹头部长度及头部弧形半径、船尾部长度及角度、弹体及装药材料；

当弹药为穿甲弹时，设计弹药的初步结构至少包括弹身直径、弹身长度、头部长度、弹体全长、弹身环形齿尺寸和数量、翼片面积、翼片长度、翼片厚度、翼片平均弦长、弹体及弹托材料。

具体的，弹药一体化设计模块分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定弹药满足战术技术需求指标，还包括：

弹药的性能指标至少包括内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算；

根据内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算的结果，判断所设计的弹药的弹丸炮口初速及膛压、射程、精度、威力是否满足战术技术需求指标，如果不能满足设计要求，则修改弹体结构尺寸进入下一轮设计。

图4A为根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用系统的系统架构图，其为弹药一体化设计模块的系统架构图，具体为榴弹一体化设计模块，分为用户层、业务层、驱动层及数据库层。

用户层主要负责用户与系统的交互，用户可在通过UG NX10.0或系统用户界面实现几何模型构建，在构建的几何模型、火炮限制条件输入及环境条件输入的基础上，计算弹丸的发射强度、解算内外弹道方程、分析射击精度、评估终点毁伤威力，此外还可以查询数据库中已存榴弹实例的结构及性能参数。

业务层是用户层的基础，执行用户层的命令。

驱动层通过软件接口进行连接，完成各个功能的集成。数据库层用于保存系统运行过程中产生的相关结果文件及与系统配套的榴弹数据库。

设计阶段首先根据战术技术需求指标(如射程、精度、威力等)，确定初步结构，然后通过分析其内外弹道及终点弹道性能，检验所设计结构是否满足既定战术技术需求指标，根据分析结果优化结构，进入下一个设计循环，直至设计产品能够满足或超过战术技术需求指标，然后进入产品试验结果。

图4B为根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用系统的系统架构图，其为弹药一体化设计模块的系统架构图，具体为穿甲弹一体化设计模块，分为用户层、业务层、驱动层及数据库层；

尾翼稳定脱壳穿甲弹一体化设计系统分为用户层、业务层、驱动层及数据库层。

用户层主要负责用户与系统的交互，用户可在通过UG NX10.0和MATLAB实现几何模型构建，在构建的几何模型、火炮限制条件输入及环境条件输入的基础上，计算弹丸的发射强度、解算内外弹道方程、分析涉及精度、评估终点毁伤，此外还可以查询数据库中已存穿甲弹实例的结构及性能参数。

业务层是用户层的基础，执行用户层的命令。驱动层通过软件接口进行连接，完成各个功能的集成。数据库层用于保存系统运行过程中产生的相关结果文件及与系统配套的穿甲弹数据库。

具体的，毁伤评估与弹药决策模块对满足战术技术需求指标的弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案，还包括：

构建常规弹药数据库和典型目标易损性数据库；

调用常规弹药数据库和典型目标易损性数据库，根据弹药和目标运动特点，弹药的射击精度和散布，判断弹目交会状态，构建弹目交会判断与毁伤评估策略；

根据战场实际情况计算不同类型弹药在不同射击条件下对目标的毁伤效果，制作毁伤概率射表，建立射击条件与弹药毁伤概率之间的联系，构建战场弹药毁伤评估与辅助快速决策方案。

具体的，模拟训练模块基于构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展弹药的模拟训练，还包括：

构造战争场景，设定来袭目标的种类、数量、方位；

将来袭目标的种类、数量、方位导入目标模型；

设定不同的弹药种类、弹药数量及弹目交会条件，以桌面虚拟显示的形式模拟弹药对目标的毁伤效果，获得最佳的弹药使用方案。

图5为根据本申请的一些实施例，示出了一种一体化弹药设计及使用系统的开发模式架构图。

采用CUDA+OPENGL的开发模式，对弹丸膛内运动、空中飞行、弹目交会过程进行桌面虚拟现实显示。采用OBJ标准进行数据交换三维模型。为实现较好的显示效果，并且兼顾毁伤数据的显示。模型包括一个整体模型和所有部件的独立模型。整体模型与部件模型的三维坐标是重合的。其中，整体模型根据需要进行效果处理，制作贴图和纹理信息，该文件包括三个文件：TARGET.OBJ-保存三维模型、TARGET.MTL-贴图纹理、TARGET.BMP-纹理的实际图片，其他部件模型在独立显示毁伤信息的时候显示，没有贴图效果。

需要说明的是，本申请的各方法实施例均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本申请是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically ErasableProgrammable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。

需要说明的是，本申请各设备实施例中提到的各单元/模块都是逻辑单元/模块，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部位，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合才是解决本申请所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本申请的创新部位，本申请上述各设备实施例并没有将与解决本申请所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施例并不存在其它的单元。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然通过参照本申请的某些优选实施例，已经对本申请进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (10)

1.一种一体化弹药设计及使用方法，其特征在于，所述一体化弹药设计及使用方法包括步骤：获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构；

分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定所述弹药满足所述战术技术需求指标；

对满足所述战术技术需求指标的所述弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案；

基于所述构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展所述弹药的模拟训练。

2.如权利要求1所述的一种一体化弹药设计及使用方法，其特征在于，所述获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构，还包括：

所述弹药包括榴弹和穿甲弹；

所述用户的战术技术需求指标至少包括弹药的射程、精度、威力；

当所述弹药为榴弹时，所述设计弹药的初步结构至少包括弹丸质量及装填比、弹体全长、弹体直径及壁厚、弹头部长度及头部弧形半径、船尾部长度及角度、弹体及装药材料；

当所述弹药为穿甲弹时，所述设计弹药的初步结构至少包括弹身直径、弹身长度、头部长度、弹体全长、弹身环形齿尺寸和数量、翼片面积、翼片长度、翼片厚度、翼片平均弦长、弹体及弹托材料。

3.如权利要求1所述的一种一体化弹药设计及使用方法，其特征在于，所述分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定所述弹药满足所述战术技术需求指标，还包括：

所述弹药的性能指标至少包括内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算；

根据所述内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算的结果，判断所设计的所述弹药的弹丸炮口初速及膛压、射程、精度、威力是否满足战术技术需求指标；

如果不能满足所述战术技术需求指标，则修改弹体结构尺寸进入下一轮设计。

4.如权利要求1所述的一种一体化弹药设计及使用方法，其特征在于，所述对满足所述战术技术需求指标的所述弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案，还包括：

构建常规弹药数据库和典型目标易损性数据库；

调用常所述规弹药数据库和典型目标易损性数据库，根据所述弹药和目标运动特点，所述弹药的射击精度和散布，判断弹目交会状态，构建弹目交会判断与毁伤评估策略；

根据战场实际情况计算不同类型弹药在不同射击条件下对目标的毁伤效果，制作毁伤概率射表，建立射击条件与弹药毁伤概率之间的联系，构建战场弹药毁伤评估与辅助快速决策方案。

5.如权利要求1所述的一种一体化弹药设计及使用方法，其特征在于，所述基于所述构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展所述弹药的模拟训练，还包括：

查看弹丸的内弹道发射行程、外弹道飞行轨迹；

构造战争场景，设定来袭目标的种类、数量、方位；

将所述来袭目标的种类、数量、方位导入目标模型；

设定不同的弹药种类、弹药数量及弹目交会条件，以桌面虚拟显示的形式模拟弹药对目标的毁伤效果。

6.一种一体化弹药设计及使用系统，其特征在于，所述一体化弹药设计及使用系统，包括：弹药一体化设计模块、毁伤评估与弹药决策模块、模拟训练模块；

所述弹药一体化设计模块用于获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构，分析设分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定所述弹药满足所述战术技术需求指标；

所述毁伤评估与弹药决策模块对满足所述战术技术需求指标的所述弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案；

所述模拟训练模块基于所述构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展所述弹药的模拟训练。

7.如权利要求6所述的一种一体化弹药设计及使用系统，其特征在于，所述弹药一体化设计模块用于获取用户的战术技术需求指标，设计弹药的初步结构，还包括：

所述弹药包括榴弹和穿甲弹；

所述用户的战术技术需求指标至少包括弹药的射程、精度、威力；

当所述弹药为榴弹时，所述设计弹药的初步结构至少包括弹丸质量及装填比、弹体全长、弹体直径及壁厚、弹头部长度及头部弧形半径、船尾部长度及角度、弹体及装药材料；

当所述弹药为穿甲弹时，所述设计弹药的初步结构至少包括弹身直径、弹身长度、头部长度、弹体全长、弹身环形齿尺寸和数量、翼片面积、翼片长度、翼片厚度、翼片平均弦长、弹体及弹托材料。

8.如权利要求6所述的一种一体化弹药设计及使用系统，其特征在于，所述弹药一体化设计模块分析初步设计的所述弹药的性能指标，确定所述弹药满足所述战术技术需求指标，还包括：

所述弹药的性能指标至少包括内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算；

根据内弹道运动分析、外弹道性能计算、终点毁伤威力计算的结果，判断所设计的所述弹药的弹丸炮口初速及膛压、射程、精度、威力是否满足战术技术需求指标，如果不能满足设计要求，则修改弹体结构尺寸进入下一轮设计。

9.如权利要求6所述的一种一体化弹药设计及使用系统，其特征在于，所述毁伤评估与弹药决策模块对满足所述战术技术需求指标的所述弹药进行毁伤分析，得到毁伤概率射表，构建战场的弹药决策分析方案，还包括：

构建常规弹药数据库和典型目标易损性数据库；

调用常所述规弹药数据库和典型目标易损性数据库，根据所述弹药和目标运动特点，所述弹药的射击精度和散布，判断弹目交会状态，构建弹目交会判断与毁伤评估策略；

根据战场实际情况计算不同类型弹药在不同射击条件下对目标的毁伤效果，制作毁伤概率射表，建立射击条件与弹药毁伤概率之间的联系，构建战场弹药毁伤评估与辅助快速决策方案。

10.如权利要求6所述的一种一体化弹药设计及使用系统，其特征在于，所述所述模拟训练模块基于所述构建的战场的弹药决策分析方案，构造战争场景，模拟弹药对目标的毁伤效果，开展所述弹药的模拟训练，还包括：

查看弹丸的内弹道发射行程、外弹道飞行轨迹；

构造战争场景，设定来袭目标的种类、数量、方位；

将所述来袭目标的种类、数量、方位导入目标模型；

设定不同的弹药种类、弹药数量及弹目交会条件，以桌面虚拟显示的形式模拟弹药对目标的毁伤效果。

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