装甲车辆目标易损性模型快速建模技术*

梁振刚，王 鑫，赵书超，朱江宁，陈珏霖

(1 沈阳理工大学装备工程学院， 沈阳 110159； 2 山东特种工业集团有限公司， 山东淄博 255201；3 朝阳师范高等专科学校，辽宁朝阳 122000)

0 引言

装甲车辆作为地面战场的主要作战装备之一，对其进行易损性分析与毁伤评估可为相关装备与弹药设计提供参考和指导[1-2]。目标易损性模型的建立是完成复杂目标毁伤评估的关键步骤[3]。随着科技的进步以及各项易损性基础数据的不断积累和丰富，易损模型建模的精确性和高效性也不断提升[4]。目标易损性模型包含几何结构信息及功能毁伤相关信息，对于易损性模型几何结构信息的描述，通常采用毁伤等效模型的形式[5]，且一般遵循以下两个原则：等效原则，保证毁伤评估值不受影响或影响很小；可行性原则，部件能以数学形式进行描述[6]。较为常见的易损性模型几何结构描述方法有面元法和基本体法等[7]。对于较为复杂目标部件的几何信息描述，为保证精度和便于毁伤效应计算，常见做法是利用建模软件建立目标部件的三维实体等效模型[8]，导入到计算机仿真系统中完成计算。

文中提出一种针对装甲车辆目标的易损性模型建模方法，利用参数化技术实现等效三维结构模型的快速建立，以数据库技术整合易损性模型数据，实现易损性模型的快速建模。

1 目标特性分析

1.1 装甲车辆目标功能与结构分析

装甲车辆目标在战场上的基本功能是火力、机动与防护[9]，现代战争强调信息化作战，装甲车辆的指挥通信功能就显得尤为重要，而人员是操作武器设备、实现装甲车辆目标基本功能的关键要素。考虑到以上因素，将装甲车辆目标划分为防护系统、动力系统、火力系统、行走系统、乘员系统以及通讯系统，各系统又由多个部件及子部件组成，在此基础上建立目标结构树。典型装甲车辆(M1A2)目标结构树如图1所示。

图1 典型装甲车辆目标结构树

依据目标结构树确定的目标架构，建立目标三维结构模型，可为易损性模型部件几何描述提供结构参照与尺寸数据依据。典型装甲车辆目标三维结构模型如图2所示。

a.防护系统典型部件;b.动力系统典型部件;c.火力系统典型部件;d.行走系统典型部件;e.乘员系统典型部件;f.通讯系统典型部件。图2 典型装甲车辆目标三维结构模型

目标结构树及三维结构模型建立后，需要根据目标功能毁伤特性，划分装甲车辆目标毁伤等级[10]，同时还需要考虑到目标各组成部分之间遭受毁伤时的耦合关系，确定目标的毁伤逻辑关系，建立对应毁伤等级下的毁伤树[11]。

1.2 确定目标部件等效几何体结构

为对目标各部件易损性模型进行几何描述，在目标特性分析及目标部件三维结构模型的基础上，按照结构树对目标各部件及子部件进行梳理，将目标部件在三维结构模型的基础上再次简化，给出用以对装甲目标易损性模型部件进行几何描述的等效几何体，如图3所示。

a.长方体/六面体;b.圆柱/圆台;c.人形;d.履带;e.炮塔;f.车体;g.身管武器。图3 目标部件等效几何体

各几何体对应部件类型如表1所示。

表1 几何体与目标部件对应关系表

2 易损性模型建模技术

2.1 等效三维结构模型参数化建模技术

易损性模型的部件信息包含目标部件几何结构信息及毁伤相关信息，为保证模型精度，应用参数化建模技术，以等效三维结构模型的形式描述易损性模型几何结构。

为建立目标部件等效三维结构模型，首先要对部件等效几何体进行结构参数定义，确定几何体基准点的位置、坐标轴的方向、几何尺寸参数。为保证建立的三维模型保持原有基本形态，几何体的尺寸参数在输入时要满足一定的约束条件，即需要定义参数间的约束方程组。

以装甲车辆典型关重部件履带为例，其对应的几何体结构图如图4所示。

图4 履带形几何体结构图

其尺寸参数有：履带总长L1、履带宽度L2、履带厚度L3、履带总高L4、两侧履带倾斜角度L5。其尺寸参数约束方程组为:

(1)

等效三维结构模型参数化建模流程如图5所示。

图5 等效几何体参数化建模流程图

以目标结构树为基础，选取目标各部件对应的几何体模板，根据各等效几何体结构设计及部件结构特性输入对应的几何体尺寸参数、位置数据及姿态数据，系统判断输入数据是否满足约束方程组，若满足，则以输入参数重新生成部件对应几何体，再根据位置与姿态数据调整几何体位置及姿态，即可完成目标部件等效三维结构模型快速建模。

2.2 装甲车辆目标易损性模型数据库构建

易损性模型包含目标信息及部件信息，其中目标信息包括目标结构树、毁伤等级与毁伤树等；部件信息包括由等效三维结构模型的结构尺寸参数、位置数据、姿态数据组成的几何信息以及对应部件的材料特性数据与毁伤判据等组成的毁伤相关信息数据。由于易损性模型包含不同类型的数据，需要整理归纳模型数据特征，利用数据库技术完成所有数据的整合，建立装甲车辆目标易损性模型数据库。易损性模型数据库包含目标数据表、结构树数据表、毁伤等级数据表、毁伤树数据表、等效三维结构模型数据表、部件材料特性数据表以及毁伤判据数据表。数据库关系图如图6所示。

2.3 装甲车辆目标易损性模型建模流程

为建立装甲车辆目标易损性模型，需要将全部模型数据按照一定的方法和顺序储存于易损性数据库中予以整合。易损性模型建模流程如图7所示。

易损性模型数据向数据库中录入的顺序是由目标整体到目标各部件。首先要向易损性模型数据库录入目标结构树数据，完成由目标到部件及子部件的逻辑关联。再录入目标毁伤等级数据与各毁伤等级下的毁伤树数据。之后录入部件相关数据，所有部件先选取对应的等效几何体，向数据库中录入几何体尺寸参数、位置数据、姿态数据。由于目标较为复杂，是由许多系统、部件和子部件构成。考虑到在战斗部的毁伤元作用下，某些部件的毁伤将导致整个目标的某种级别的毁伤，而有些部件的毁伤则不致引起整体完全毁伤。因此，按照目标毁伤树，把构成目标的部件分为两类：关重部件和惰性部件[12]。惰性部件只考虑其屏蔽作用，即对关重部件的保护作用，无需考虑其功能毁伤，仅需得到其材料特性数据。对于某一毁伤等级下的关重部件，在考虑另一毁伤等级的毁伤情况时有可能仅作为惰性部件考虑，因此所有部件都需要向数据库中录入其材料特性参数。若部件为当前毁伤等级下的关重部件，则需要录入其达到功能毁伤的毁伤判据数据。所有部件数据录入完成后，在数据库完成数据整合，即实现目标易损性模型建模。

3 快速建模实例

为验证快速建模技术的可行性，基于该技术开发的易损性模型数据库系统，以某型主战坦克作为典型装甲车辆目标，建立易损性模型。

图6 装甲车辆目标易损性模型数据库关系图

图7 装甲车辆目标易损性模型建模流程图

首先，在系统中输入目标整体相关数据。按照目标结构树，向数据库中录入结构树数据，即录入目标下系统、部件及子部件间逻辑关系，录入界面如图8所示。

结构树数据录入完成后，还需要录入目标毁伤等级与该毁伤等级下的毁伤树数据，如图9所示。

目标数据录入完成后录入部件数据，部件分为惰性部件与关重部件两类。惰性部件模型数据录入以坦克的车体为例，选取其对应几何体为车体形，输入某主战坦克车体几何结构基本参数，包括几何尺寸参数、位置数据、姿态数据等等效三维结构模型数据以及材料属性数据。如图10所示。

图8 目标结构树数据录入界面

图9 目标毁伤等级与毁伤树数据录入界面

图10 典型惰性部件数据录入界面

关重部件模型数据录入以坦克的履带为例，选取其对应的几何体为履带形，向数据库输入某型主战坦克的履带等效三维结构模型数据、材料属性数据以及毁伤判据数据。如图11所示。

图11 典型关重部件数据录入界面

所有数据录入完成后,将其储存到当前目标的数据库中，完成数据整合。在可视化建模结果显示界面点选目标对应部件，显示结果如图12所示：界面左侧显示结构树或毁伤树并提供目标部件选取，界面中心为当前选取部件形态及它所处的位置显示(红色高亮显示)，界面中下部为部件材料特性及毁伤判据显示，右上部为部件对应等效几何体示意图，右下部为部件等效几何体数据显示。

图12 易损性模型可视化显示界面

4 结论

文中提出一种装甲车辆目标易损性模型快速建模方法，在目标功能与结构分析的基础上，给出目标部件典型等效几何体用以描述易损性模型几何结构。基于参数化技术，实现目标等效三维结构模型的快速构建，应用数据库整合易损性模型信息数据，完成目标易损性模型建模。建模实例表明，该方法实现了装甲车辆目标等效模型的快速建模，降低了易损性模型几何结构描述所需的时间与人力成本，可为装甲车辆易损性分析与毁伤评估提供基础数据支持。