裝甲車輛目標易損性模型快速建模技術(shù)*

梁振剛，王 鑫，趙書超，朱江寧，陳玨霖

(1 沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院， 沈陽 110159； 2 山東特種工業(yè)集團有限公司， 山東淄博 255201；3 朝陽師范高等專科學(xué)校，遼寧朝陽 122000)

0 引言

裝甲車輛作為地面戰(zhàn)場的主要作戰(zhàn)裝備之一，對其進行易損性分析與毀傷評估可為相關(guān)裝備與彈藥設(shè)計提供參考和指導(dǎo)[1-2]。目標易損性模型的建立是完成復(fù)雜目標毀傷評估的關(guān)鍵步驟[3]。隨著科技的進步以及各項易損性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷積累和豐富，易損模型建模的精確性和高效性也不斷提升[4]。目標易損性模型包含幾何結(jié)構(gòu)信息及功能毀傷相關(guān)信息，對于易損性模型幾何結(jié)構(gòu)信息的描述，通常采用毀傷等效模型的形式[5]，且一般遵循以下兩個原則：等效原則，保證毀傷評估值不受影響或影響很小；可行性原則，部件能以數(shù)學(xué)形式進行描述[6]。較為常見的易損性模型幾何結(jié)構(gòu)描述方法有面元法和基本體法等[7]。對于較為復(fù)雜目標部件的幾何信息描述，為保證精度和便于毀傷效應(yīng)計算，常見做法是利用建模軟件建立目標部件的三維實體等效模型[8]，導(dǎo)入到計算機仿真系統(tǒng)中完成計算。

文中提出一種針對裝甲車輛目標的易損性模型建模方法，利用參數(shù)化技術(shù)實現(xiàn)等效三維結(jié)構(gòu)模型的快速建立，以數(shù)據(jù)庫技術(shù)整合易損性模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)易損性模型的快速建模。

1 目標特性分析

1.1 裝甲車輛目標功能與結(jié)構(gòu)分析

裝甲車輛目標在戰(zhàn)場上的基本功能是火力、機動與防護[9]，現(xiàn)代戰(zhàn)爭強調(diào)信息化作戰(zhàn)，裝甲車輛的指揮通信功能就顯得尤為重要，而人員是操作武器設(shè)備、實現(xiàn)裝甲車輛目標基本功能的關(guān)鍵要素。考慮到以上因素，將裝甲車輛目標劃分為防護系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、火力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、乘員系統(tǒng)以及通訊系統(tǒng)，各系統(tǒng)又由多個部件及子部件組成，在此基礎(chǔ)上建立目標結(jié)構(gòu)樹。典型裝甲車輛(M1A2)目標結(jié)構(gòu)樹如圖1所示。

圖1 典型裝甲車輛目標結(jié)構(gòu)樹

依據(jù)目標結(jié)構(gòu)樹確定的目標架構(gòu)，建立目標三維結(jié)構(gòu)模型，可為易損性模型部件幾何描述提供結(jié)構(gòu)參照與尺寸數(shù)據(jù)依據(jù)。典型裝甲車輛目標三維結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

a.防護系統(tǒng)典型部件;b.動力系統(tǒng)典型部件;c.火力系統(tǒng)典型部件;d.行走系統(tǒng)典型部件;e.乘員系統(tǒng)典型部件;f.通訊系統(tǒng)典型部件。圖2 典型裝甲車輛目標三維結(jié)構(gòu)模型

目標結(jié)構(gòu)樹及三維結(jié)構(gòu)模型建立后，需要根據(jù)目標功能毀傷特性，劃分裝甲車輛目標毀傷等級[10]，同時還需要考慮到目標各組成部分之間遭受毀傷時的耦合關(guān)系，確定目標的毀傷邏輯關(guān)系，建立對應(yīng)毀傷等級下的毀傷樹[11]。

1.2 確定目標部件等效幾何體結(jié)構(gòu)

為對目標各部件易損性模型進行幾何描述，在目標特性分析及目標部件三維結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，按照結(jié)構(gòu)樹對目標各部件及子部件進行梳理，將目標部件在三維結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上再次簡化，給出用以對裝甲目標易損性模型部件進行幾何描述的等效幾何體，如圖3所示。

a.長方體/六面體;b.圓柱/圓臺;c.人形;d.履帶;e.炮塔;f.車體;g.身管武器。圖3 目標部件等效幾何體

各幾何體對應(yīng)部件類型如表1所示。

表1 幾何體與目標部件對應(yīng)關(guān)系表

2 易損性模型建模技術(shù)

2.1 等效三維結(jié)構(gòu)模型參數(shù)化建模技術(shù)

易損性模型的部件信息包含目標部件幾何結(jié)構(gòu)信息及毀傷相關(guān)信息，為保證模型精度，應(yīng)用參數(shù)化建模技術(shù)，以等效三維結(jié)構(gòu)模型的形式描述易損性模型幾何結(jié)構(gòu)。

為建立目標部件等效三維結(jié)構(gòu)模型，首先要對部件等效幾何體進行結(jié)構(gòu)參數(shù)定義，確定幾何體基準點的位置、坐標軸的方向、幾何尺寸參數(shù)。為保證建立的三維模型保持原有基本形態(tài)，幾何體的尺寸參數(shù)在輸入時要滿足一定的約束條件，即需要定義參數(shù)間的約束方程組。

以裝甲車輛典型關(guān)重部件履帶為例，其對應(yīng)的幾何體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 履帶形幾何體結(jié)構(gòu)圖

其尺寸參數(shù)有：履帶總長L1、履帶寬度L2、履帶厚度L3、履帶總高L4、兩側(cè)履帶傾斜角度L5。其尺寸參數(shù)約束方程組為:

(1)

等效三維結(jié)構(gòu)模型參數(shù)化建模流程如圖5所示。

圖5 等效幾何體參數(shù)化建模流程圖

以目標結(jié)構(gòu)樹為基礎(chǔ)，選取目標各部件對應(yīng)的幾何體模板，根據(jù)各等效幾何體結(jié)構(gòu)設(shè)計及部件結(jié)構(gòu)特性輸入對應(yīng)的幾何體尺寸參數(shù)、位置數(shù)據(jù)及姿態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)判斷輸入數(shù)據(jù)是否滿足約束方程組，若滿足，則以輸入?yún)?shù)重新生成部件對應(yīng)幾何體，再根據(jù)位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)調(diào)整幾何體位置及姿態(tài)，即可完成目標部件等效三維結(jié)構(gòu)模型快速建模。

2.2 裝甲車輛目標易損性模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

易損性模型包含目標信息及部件信息，其中目標信息包括目標結(jié)構(gòu)樹、毀傷等級與毀傷樹等；部件信息包括由等效三維結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、位置數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)組成的幾何信息以及對應(yīng)部件的材料特性數(shù)據(jù)與毀傷判據(jù)等組成的毀傷相關(guān)信息數(shù)據(jù)。由于易損性模型包含不同類型的數(shù)據(jù)，需要整理歸納模型數(shù)據(jù)特征，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)完成所有數(shù)據(jù)的整合，建立裝甲車輛目標易損性模型數(shù)據(jù)庫。易損性模型數(shù)據(jù)庫包含目標數(shù)據(jù)表、結(jié)構(gòu)樹數(shù)據(jù)表、毀傷等級數(shù)據(jù)表、毀傷樹數(shù)據(jù)表、等效三維結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)表、部件材料特性數(shù)據(jù)表以及毀傷判據(jù)數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖如圖6所示。

2.3 裝甲車輛目標易損性模型建模流程

為建立裝甲車輛目標易損性模型，需要將全部模型數(shù)據(jù)按照一定的方法和順序儲存于易損性數(shù)據(jù)庫中予以整合。易損性模型建模流程如圖7所示。

易損性模型數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)庫中錄入的順序是由目標整體到目標各部件。首先要向易損性模型數(shù)據(jù)庫錄入目標結(jié)構(gòu)樹數(shù)據(jù)，完成由目標到部件及子部件的邏輯關(guān)聯(lián)。再錄入目標毀傷等級數(shù)據(jù)與各毀傷等級下的毀傷樹數(shù)據(jù)。之后錄入部件相關(guān)數(shù)據(jù)，所有部件先選取對應(yīng)的等效幾何體，向數(shù)據(jù)庫中錄入幾何體尺寸參數(shù)、位置數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)。由于目標較為復(fù)雜，是由許多系統(tǒng)、部件和子部件構(gòu)成。考慮到在戰(zhàn)斗部的毀傷元作用下，某些部件的毀傷將導(dǎo)致整個目標的某種級別的毀傷，而有些部件的毀傷則不致引起整體完全毀傷。因此，按照目標毀傷樹，把構(gòu)成目標的部件分為兩類：關(guān)重部件和惰性部件[12]。惰性部件只考慮其屏蔽作用，即對關(guān)重部件的保護作用，無需考慮其功能毀傷，僅需得到其材料特性數(shù)據(jù)。對于某一毀傷等級下的關(guān)重部件，在考慮另一毀傷等級的毀傷情況時有可能僅作為惰性部件考慮，因此所有部件都需要向數(shù)據(jù)庫中錄入其材料特性參數(shù)。若部件為當(dāng)前毀傷等級下的關(guān)重部件，則需要錄入其達到功能毀傷的毀傷判據(jù)數(shù)據(jù)。所有部件數(shù)據(jù)錄入完成后，在數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)整合，即實現(xiàn)目標易損性模型建模。

3 快速建模實例

為驗證快速建模技術(shù)的可行性，基于該技術(shù)開發(fā)的易損性模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以某型主戰(zhàn)坦克作為典型裝甲車輛目標，建立易損性模型。

圖6 裝甲車輛目標易損性模型數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖

圖7 裝甲車輛目標易損性模型建模流程圖

首先，在系統(tǒng)中輸入目標整體相關(guān)數(shù)據(jù)。按照目標結(jié)構(gòu)樹，向數(shù)據(jù)庫中錄入結(jié)構(gòu)樹數(shù)據(jù)，即錄入目標下系統(tǒng)、部件及子部件間邏輯關(guān)系，錄入界面如圖8所示。

結(jié)構(gòu)樹數(shù)據(jù)錄入完成后，還需要錄入目標毀傷等級與該毀傷等級下的毀傷樹數(shù)據(jù)，如圖9所示。

目標數(shù)據(jù)錄入完成后錄入部件數(shù)據(jù)，部件分為惰性部件與關(guān)重部件兩類。惰性部件模型數(shù)據(jù)錄入以坦克的車體為例，選取其對應(yīng)幾何體為車體形，輸入某主戰(zhàn)坦克車體幾何結(jié)構(gòu)基本參數(shù)，包括幾何尺寸參數(shù)、位置數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)等等效三維結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)以及材料屬性數(shù)據(jù)。如圖10所示。

圖8 目標結(jié)構(gòu)樹數(shù)據(jù)錄入界面

圖9 目標毀傷等級與毀傷樹數(shù)據(jù)錄入界面

圖10 典型惰性部件數(shù)據(jù)錄入界面

關(guān)重部件模型數(shù)據(jù)錄入以坦克的履帶為例，選取其對應(yīng)的幾何體為履帶形，向數(shù)據(jù)庫輸入某型主戰(zhàn)坦克的履帶等效三維結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)、材料屬性數(shù)據(jù)以及毀傷判據(jù)數(shù)據(jù)。如圖11所示。

圖11 典型關(guān)重部件數(shù)據(jù)錄入界面

所有數(shù)據(jù)錄入完成后,將其儲存到當(dāng)前目標的數(shù)據(jù)庫中，完成數(shù)據(jù)整合。在可視化建模結(jié)果顯示界面點選目標對應(yīng)部件，顯示結(jié)果如圖12所示：界面左側(cè)顯示結(jié)構(gòu)樹或毀傷樹并提供目標部件選取，界面中心為當(dāng)前選取部件形態(tài)及它所處的位置顯示(紅色高亮顯示)，界面中下部為部件材料特性及毀傷判據(jù)顯示，右上部為部件對應(yīng)等效幾何體示意圖，右下部為部件等效幾何體數(shù)據(jù)顯示。

圖12 易損性模型可視化顯示界面

4 結(jié)論

文中提出一種裝甲車輛目標易損性模型快速建模方法，在目標功能與結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，給出目標部件典型等效幾何體用以描述易損性模型幾何結(jié)構(gòu)。基于參數(shù)化技術(shù)，實現(xiàn)目標等效三維結(jié)構(gòu)模型的快速構(gòu)建，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫整合易損性模型信息數(shù)據(jù)，完成目標易損性模型建模。建模實例表明，該方法實現(xiàn)了裝甲車輛目標等效模型的快速建模，降低了易損性模型幾何結(jié)構(gòu)描述所需的時間與人力成本，可為裝甲車輛易損性分析與毀傷評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。