破片對(duì)履帶式車輛毀傷分析

李 峰，石 全，陳 材，王亞東

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 裝備指揮與管理系， 石家莊 050003)

隨著科技的發(fā)展，軍事斗爭(zhēng)方式的改變，軍事作戰(zhàn)的條件與形勢(shì)也發(fā)生變化，未來戰(zhàn)爭(zhēng)中，精確火力打擊必將成為作戰(zhàn)的主體和基礎(chǔ)。精確的火力毀傷也將是未來戰(zhàn)爭(zhēng)的研究重點(diǎn)。履帶車輛是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中重要的武器裝備之一，其強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)性能和越野性能是在惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中來去自如的重要保證[1]。在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)條件下，對(duì)履帶式車輛目標(biāo)的毀傷進(jìn)行研究，可用于預(yù)測(cè)損傷發(fā)生的形式以及對(duì)作戰(zhàn)產(chǎn)生的影響，用于輔助制定作戰(zhàn)計(jì)劃、戰(zhàn)場(chǎng)搶修計(jì)劃等。目前對(duì)履帶式車輛研究的文獻(xiàn)資料已經(jīng)很多，劉喆[2～4]對(duì)采用ADAMS軟件對(duì)履帶式車輛的行星輪和傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)。管繼富[5]建立了半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，改善了履帶車的平穩(wěn)性和操作穩(wěn)定性。孫偉[6]和翟永翠[7]在虛擬環(huán)境下建立了較好的履帶車行駛過程中的仿真模型。董新建[8]和盧進(jìn)軍[9]運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真方法研究了履帶車輛高速轉(zhuǎn)向，可為履帶車輛轉(zhuǎn)向性能的研究和高速轉(zhuǎn)向的操作提供指導(dǎo)。李林岐[10]對(duì)高原寒區(qū)自行火炮行星轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行分解裝配，探索出一種新的修理方法。

上述文獻(xiàn)主要是針對(duì)各結(jié)構(gòu)部件的疲勞和裝備的行駛過程進(jìn)行研究，并未研究戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，履帶車輛受打擊后的毀傷評(píng)估。本文利用仿真平臺(tái)對(duì)履帶車輛受破片打擊后的情況進(jìn)行毀傷分析。此外，裝備戰(zhàn)場(chǎng)損傷仿真試驗(yàn)研究也是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下實(shí)體裝備戰(zhàn)損試驗(yàn)研究的重要組成部分，利用科學(xué)合理的試驗(yàn)方法和技術(shù)能夠在實(shí)彈試驗(yàn)中，有效提高毀傷試驗(yàn)的精度，大大提高試驗(yàn)效能，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和軍事經(jīng)濟(jì)效益。

1 仿真模型建立

1.1 裝備幾何模型建立

利用仿真平臺(tái)進(jìn)行裝備零部件的裝配，材料為45鋼，密度為7.83 g/cm3，剪切模量為80 GPa。根據(jù)已有的裝備結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系，將建好的零部件模型裝配為具有特定功能的基本系統(tǒng)單元，圖1為研究對(duì)象(履帶式車輛裝配后車輪與履帶部分裝配模型)。

在完成基本系統(tǒng)單元裝配后，再將各基本系統(tǒng)單元進(jìn)行裝配，建立完整的裝備三維實(shí)體模型。圖2為裝備裝配完成后的整體模型。

圖1 車輪與履帶部分裝配模型

圖2 裝備整體模型

1.2 仿真平臺(tái)

戰(zhàn)斗損傷仿真平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)單個(gè)裝備在遭受炮彈破片攻擊下的損傷模擬，模擬過程主要由以下4個(gè)方面組成：破片的攻擊過程；裝備基本幾何元素的損傷；裝備基本單元的損傷；裝備整體的損傷。

破片攻擊過程的模擬主要完成破片的形成、破片侵徹和穿透裝備材料的毀傷；裝備基本幾何元素?fù)p傷模擬主要完成破片針對(duì)裝備基本幾何元素的侵徹毀傷過程，并將損傷模擬的結(jié)果進(jìn)行匯總分析；裝備基本單元損傷模擬則是在基本幾何元素?fù)p傷模擬的基礎(chǔ)上，針對(duì)裝備基本單元的損傷，將損傷數(shù)據(jù)再次進(jìn)行匯總和分析；裝備整體損傷模擬則是在以上幾個(gè)損傷模擬的基礎(chǔ)上，以裝備整體損傷為研究重點(diǎn)，對(duì)損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析。

通過定義不同的坐標(biāo)系統(tǒng)(包括地面坐標(biāo)系、裝備坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系)，并根據(jù)設(shè)定的彈藥型號(hào)、彈道終點(diǎn)作用參數(shù)和彈藥、裝備的具體坐標(biāo)，完成以上四個(gè)不同的損傷模擬過程，就可以實(shí)現(xiàn)裝備在靜止?fàn)顟B(tài)下遭受破片式彈藥攻擊的損傷模擬過程，并輸出相應(yīng)的損傷程度(即遭受破片的侵徹次數(shù))。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是一種科學(xué)的安排與分析多因素試驗(yàn)方法。李盼[11]針對(duì)蒙皮的影響因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，獲得了優(yōu)化設(shè)計(jì)最優(yōu)參數(shù)組合。根據(jù)本次試驗(yàn)所需要進(jìn)行的單因子影響因素分析要求，將炸點(diǎn)距離R、距離地面的垂直高度H、彈藥的水平角θ1、高低角θ2、彈種A作為本次正交試驗(yàn)的表頭設(shè)計(jì)因子，單因素具體示意圖如圖3所示。其中點(diǎn)G為炮彈重心。由于本次正交試驗(yàn)中，共有5個(gè)影響因子，每個(gè)因子具有5個(gè)水平，所以進(jìn)行25次正交試驗(yàn)。建立如表1所示反映單因子變化趨勢(shì)的因子水平表和表2所示的本次正交試驗(yàn)的正交試驗(yàn)表。

圖3 試驗(yàn)效能影響因素示意圖

表1 因子水平

表2 正交試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)構(gòu)造的裝備仿真模型，以及確定的正交試驗(yàn)表，利用裝備戰(zhàn)斗損傷仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得出如表3所示，在25次試驗(yàn)中各種情況下裝備遭受破片侵徹的數(shù)目。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，即對(duì)正交試驗(yàn)表中各列極差數(shù)值從大到小排列，得出對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生主要影響的因素，進(jìn)而對(duì)主要因素進(jìn)行分析，得出更準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)論。

從表3中可以看出：隨著各個(gè)參數(shù)的變化，履帶式車輛遭受破片損傷的數(shù)量不盡相同。履帶式車輛遭受破片損傷數(shù)量最少為2個(gè)，最多竟多達(dá)985個(gè)，由此可見各個(gè)影響因素的不同對(duì)履帶式遭受破片損傷數(shù)量影響很大。

表3 仿真試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4 各因素水平下仿真結(jié)果分析

表4中因子水平數(shù)值按1～5的順序從小到大排序，其中彈種A中因子水平1～5依次為105 mm榴彈S60、105 mm榴彈D60、M1式105 mm榴彈、M107式155 mm榴彈、54式122 mm殺傷爆破榴彈。由極差分析結(jié)果可以看出：各因素對(duì)裝備毀傷的影響程度大小按從大至小順序排列分別為：炸點(diǎn)距離R>水平角θ1>彈種A>垂直高度H>高低角θ2。初步得出對(duì)裝備毀傷效果影響最大的因素為炸點(diǎn)距離R。

圖4 各因素影響曲線

由圖4所示各影響因素曲線趨勢(shì)可以看出：破片侵徹對(duì)裝備毀傷的影響程度隨著炸點(diǎn)距離R和高度H的增大而減??；隨著水平角和高低角的增大，出現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)；而5種彈藥對(duì)裝備毀傷的影響中，M107式155 mm榴彈影響最大，54式122 mm殺傷爆破榴彈次之，隨后是M1式105 mm榴彈、105 mm榴彈D60和105 mm榴彈S60。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明：影響因素的不同對(duì)履帶式車輛遭受破片損傷數(shù)量影響很大，破片數(shù)量范圍從2到985變化。這些影響因素對(duì)破片數(shù)量影響由大到小依次為炸點(diǎn)距離R、水平角θ1、彈種A、垂直高度H、高低角θ2。