一种基于VRML和面元检测的破片式战斗部对集群目标的毁伤效能评估方法*

李 臻,余文力,王金涛,王 涛

(第二炮兵工程大学,西安 710025)

一种基于VRML和面元检测的破片式战斗部对集群目标的毁伤效能评估方法*

李 臻,余文力,王金涛,王 涛

(第二炮兵工程大学,西安 710025)

为提升破片式战斗部对集群目标的毁伤效能评估精度,针对传统方法的局限,结合射击迹线技术,提出一种基于VRML和面元检测的破片式战斗部对集群目标的毁伤效能评估方法。文中详细阐述了该方法的总体思路和关键技术。将该毁伤效能评估方法应用到某破片式战斗部对机库内战斗机群的毁伤效能评估实例中,得到了精确的毁伤数据。结果表明该方法简单有效,易于编程实现。

毁伤效能评估;射击迹线;VRML;集群目标

0 引言

战场上的目标多为集群目标,例如埋伏中的人员、行进中的装甲集群、飞行中的战机编队、海面上的舰艇等。传统基于概率的毁伤效能评估方法对集群目标进行毁伤效能评估存在以下不足:一是新型的聚焦、双聚焦战斗部爆炸后形成的破片群与球面相差较大,其分布密度不均匀;二是战斗部爆炸形成的破片数量是一定的,有效破片数量更少,当战斗部距离目标较远时传统方法精度不足;三是不能对战斗部与目标相对运动的加速度较大的情况进行有效评估。

国外著名的毁伤效能评估程序,如美国的BRL-CAD程序[1]、瑞典的AVAL软件[2]、荷兰的TARVAC软件[3],均采用了射线跟踪的方法描述战斗部破片场,拥有战斗部及目标数据接口,可以对不同类型的战斗部对不同目标的毁伤效果进行分析,其思路值得借鉴。国内采用类似方法的主要有工程物理研究院的钱立新、杨云斌[4]、卢永刚[5]等提出了基于虚拟目标的破片射线-目标面元交会模型,采用射线跟踪技术,实现了破片式战斗部拦截TBM目标的高精度评估,相同的方法扩展后可以应用到对集群目标的毁伤效能评估中去。

文中提出一种基于VRML和面元检测的毁伤效能评估方法,这种方法使用VRML语言来对目标进行描述,利用有限元得到的破片数据来计算破片弹道,通过面元检测技术来判定破片同目标的相交关系,进而求得目标的毁伤程度。此种方法简单有效,可用于多战斗部、多目标的毁伤效能评估。

1 关键技术

1.1 三维实体的VRML生成技术

1994年第一届互联网国际会议上制定了一个可以在互联网上描述三维场景的语言——VRML[6](virtual reality modeling language)。由CAD软件如SolidWorks、Pro/E或三维图形软件如3DMAX、Maya等均可以导出为VRML格式的文件,且导出的文件均为IndexedFaceSet节点,IndexedFaceSet节点的功能是面的集合,并且给定面上每个点一个指针(Index),每一个面为由3个点组成的三角形。IndexedFaceSet节点包括点的集合point和点的顺序集合coordIndex,一个四棱锥的IndexedFaceSet节点如下:

geometry IndexedFaceSet {

coord Coordinate {

point [

0.0 0.0 0.0, #Index 0

1.0 0.0 0.0, #Index 1

0.0 1.0 0.0, #Index 2

0.0 0.0 1.0, #Index 3

]

}

coordIndex [

0,1,2,-1,

0,2,3,-1,

0,3,1,-1,

1,2,3,-1,

]

}

在point集合中,每一个点由x坐标、y坐标和z坐标组成,并按照由上至下的顺序依次为Index 0-3,代表第一个至第四个点;在点的顺序集合coordIndex中,每一行代表每一个面(三角形),包含3个点的索引(Index),并以-1作为结束。在编程语言中依次读取各点坐标和点顺序,即得到目标实体的外形数据。

1.2 破片的形成与飞散仿真技术

破片获得初始速度后开始在空中飞散,飞行中受到与速度方向相反的空气阻力和竖直向下的重力的作用。短距离内重力的影响可忽略,破片的运动轨迹为直线,在较长距离或不能忽略重力影响的情况下破片的运动轨迹可以用四阶龙格-库塔法解微分方程得到,轨迹由成段的小线段组成,每个线段代表微小时间内的破片运动轨迹。

1.3 面元检测技术

面元检测实质上是判定空间中的一个线段(破片轨迹的)与三角形的位置关系,共有3种情况,如图1所示。

图1 空间中破片与三角形的关系

线段AB1代表线段与三角形CDE平行;线段AB2代表线段与三角形CDE所在平面相交但交点在三角形外;线段AB3代表线段与三角形CDE所在平面相交且交点在三角形内部。进行面元检测的目的是计算出与目标三角形面元相交的破片线段,实现过程分为3步:首先判断是否平行,若不平行则求交点,最后判断交点是否位于三角形内部。

1.4 包围球技术

图2 战斗机的包围球

包围球技术是实时视景仿真领域对两个实体快速进行相交检测的一种方法,其实现方法为使用最小简单规则的三维形状如长方体、球将被检测的复杂物体包围起来,这些三维形状被称为包围球,通过对形状简单的包围球进行相交检测来近似判定两个物体是否相交。包围球技术可以大大减小相交检测的计算量,被包围物体与包围球的形状吻合度越高则检测效果越好。如果包围球没有相交则物体一定没有相交,反之则不成立。某折叠翼战斗机的包围球如图2所示。

2 毁伤效能评估的设计程序

2.1 战斗部对静止目标集群的评估程序设计

战斗部通常都是高速运动的,战斗部的运动状态影响破片参量的仅仅是起爆时刻战斗部的位置和速度。某些集群目标例如埋伏中的人员、低速行进中的车辆,相对破片2 000 m/s的运动速度可以忽略,近似认为是静止,在进行毁伤效能评估的时候可以先把所有破片的运动轨迹计算出来,然后逐破片进行相交检测,其评估过程见图3。

浙江曾率先在全国开创了生源地国家助学贷款，省内高中毕业生无论考入本省或外省高校均可申请生源地助学贷款，标准为本专科每生每年不超过8000元，研究生每生每年不超过1.2万元。

图3 破片式战斗部对静止集群目标的评估程序

2.2 战斗部对运动目标集群的评估程序设计

高速飞行的导弹群、空中机动的战斗机群均属于运动中的目标集群,此类目标运动速度及加速度均较大,计算毁伤程度往往要考虑战斗部起爆时间的影响

,此时需要建立大地参考系并以此描述战斗部及目标的运动方程。在进行相交检测时,仍然需要考虑目标运动的影响,造成整体计算量非常大,此时可以根据战斗部与目标的特征尺寸适当加大龙格-库塔法计算的时间步长,以这个步长为基准计算目标的运动位移,详细过程见图4。

图4 破片式战斗部对运动集群目标的评估程序

3 算例分析

某打击机库内停放战斗机的自然破片战斗部以300 m/s的速度竖直向下运动,在8 m高度起爆,机库内存放36架飞机,纵向依次排开,战斗机及机库的三角面元数据见图5和图6。

图5 战斗机的VRML面元

图6 机库内36架战斗机的VRML面元

使用AUTODYN软件计算后战斗部爆轰形成的破片群,如图7所示。经过面元相交,求得命中战斗机的破片数据,命中战斗机部位在机库平面的投影见图8。

从图中可以看出,有7架战斗机上破片分布密集,破片的毁伤半径约为20 m。分析碰撞顺序计算毁伤程度,重度毁伤战斗机(毁伤程度大于60%)为7架,中度毁伤战斗机(毁伤程度为30%～60%)1架,轻度毁伤战斗机(毁伤程度为10%～30%)1架,不同位置战斗机毁伤程度与图所示相符,对机库整体毁伤

程度为22.7%。

图7 破片式战斗部形成的破片群

图8 破片命中机库内战斗机位置在二维平面的投影

4 结论

文中提出了破片式战斗部对集群目标的毁伤效能评估方法,可广泛应用于多战斗部、多目标集群、目标集群静止及目标集群运动等多种情况,精确性较高,操作简单。在采取此种方法时需注意以下两点:

一是合理优化计算量,特别是当目标模型复杂、面元众多时计算量大,文中只介绍了包围球这一种优化算法,使用者在对具体问题进行分析时有必要根据实际情况采取合适的优化算法,以减小计算量加快运行速度。

二是毁伤效能评估的最终结果合理与否很大程度上取决于目标易损性的精确程度,目标通常包含多个易损件,各个易损件之间存在遮挡,有的还需要考虑装甲防护,在这种情况下有必要加入破片碰撞金属靶板的跳飞、侵彻公式,然后重新计算破片弹道,直至碰撞下一易损件。

[1] Lee A Butler, Eric W, Edwards. BRL-CAD tutorial series. Volume I Overview and Installation, AD 419250 [R]. 2002.

[2] HEO LA VERHANGEN. The TNO-PML tri-service vulnerability/lethality methodology TARVAC [C]∥21th International Symposium on Ballistics, Australia, 2004: 19-23.

[3] Defence Material Administration. A Triservice Vulnerability/Lethality Model [DB/OL] http: ∥www.fmv.se/WmTemplates/Page.aspx?id=1025.

[4] 杨云斌, 钱立新, 卢永刚. 战斗部威力/目标易损性评估软件研究 [J]. 现代防御技术, 2008, 36(6): 66-70.

[5] 卢永刚, 钱立新, 杨云斌, 等. 目标易损性/战斗部威力评估方法 [J]. 弹道学报, 2005, 17(1): 46-52.

[6] Andera L Ames, David R Nadeau, John L Moreland. VRML资源手册 [M]. 宗志方, 译. 2版. 北京：电子工业出版社, 1998.

[7] 蒋建伟, 张谋, 门建兵. 小口径榴弹自然破片形成过程的数值模拟 [J]. 弹箭与制导学报, 2009, 29(1): 114-117.

[8] 胡玉涛, 蒋邦海, 卢芳云, 等. 基于LS-DYNA计算结果的破片战斗部虚拟打击仿真 [J]. 弹道学报, 2012, 24(1): 27-31.

A New Damage Effectiveness Evaluation Method of Fragmentation Warheads upon Group Targets Based on VRML Language and Surface Element Detection Technique

LI Zhen,YU Wenli,WANG Jintao,WANG Tao

(The Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025, China)

To overcome the limitation of traditional damage effectiveness evaluation methods on group targets, a new damage effectiveness evaluation method of fragmentation warhead damaging group targets based on VRML language and surface element detection technique was put forword combining with shot line method. The key technology and general idea were expounded in the paper, and an example of fragmentation warheads damage aircrafts placed in the garage was given r and damage effectiveness data was achieved. The results showthat the new method is both simple and can be easily realized by programming.

damage effectiveness evaluation; shot line method; VRML; group targets

2014-08-29

李臻(1991-),男,河南驻马店人,硕士研究生,研究方向:导弹战斗部工程。

O383.2

A