破片對履帶式車輛毀傷分析

李 峰，石 全，陳 材，王亞東

(陸軍工程大學石家莊校區 裝備指揮與管理系， 石家莊 050003)

隨著科技的發展，軍事斗爭方式的改變，軍事作戰的條件與形勢也發生變化，未來戰爭中，精確火力打擊必將成為作戰的主體和基礎。精確的火力毀傷也將是未來戰爭的研究重點。履帶車輛是現代戰爭中重要的武器裝備之一，其強大的機動性能和越野性能是在惡劣戰場環境中來去自如的重要保證[1]。在現代戰場條件下，對履帶式車輛目標的毀傷進行研究，可用于預測損傷發生的形式以及對作戰產生的影響，用于輔助制定作戰計劃、戰場搶修計劃等。目前對履帶式車輛研究的文獻資料已經很多，劉喆[2～4]對采用ADAMS軟件對履帶式車輛的行星輪和傳動軸結構進行優化和設計。管繼富[5]建立了半主動懸掛系統，改善了履帶車的平穩性和操作穩定性。孫偉[6]和翟永翠[7]在虛擬環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]和盧進軍[9]運用動力學仿真方法研究了履帶車輛高速轉向，可為履帶車輛轉向性能的研究和高速轉向的操作提供指導。李林岐[10]對高原寒區自行火炮行星轉向機進行分解裝配，探索出一種新的修理方法。

上述文獻主要是針對各結構部件的疲勞和裝備的行駛過程進行研究，并未研究戰場環境下，履帶車輛受打擊后的毀傷評估。本文利用仿真平臺對履帶車輛受破片打擊后的情況進行毀傷分析。此外，裝備戰場損傷仿真試驗研究也是戰場環境下實體裝備戰損試驗研究的重要組成部分，利用科學合理的試驗方法和技術能夠在實彈試驗中，有效提高毀傷試驗的精度，大大提高試驗效能，具有重要的現實意義和軍事經濟效益。

1 仿真模型建立

1.1 裝備幾何模型建立

利用仿真平臺進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。根據已有的裝備結構數據和零部件之間的相對位置關系，將建好的零部件模型裝配為具有特定功能的基本系統單元，圖1為研究對象(履帶式車輛裝配后車輪與履帶部分裝配模型)。

在完成基本系統單元裝配后，再將各基本系統單元進行裝配，建立完整的裝備三維實體模型。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

戰斗損傷仿真平臺主要實現單個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；裝備基本幾何元素損傷模擬主要完成破片針對裝備基本幾何元素的侵徹毀傷過程，并將損傷模擬的結果進行匯總分析；裝備基本單元損傷模擬則是在基本幾何元素損傷模擬的基礎上，針對裝備基本單元的損傷，將損傷數據再次進行匯總和分析；裝備整體損傷模擬則是在以上幾個損傷模擬的基礎上，以裝備整體損傷為研究重點，對損傷數據進行匯總和分析。

通過定義不同的坐標系統(包括地面坐標系、裝備坐標系和投影坐標系)，并根據設定的彈藥型號、彈道終點作用參數和彈藥、裝備的具體坐標，完成以上四個不同的損傷模擬過程，就可以實現裝備在靜止狀態下遭受破片式彈藥攻擊的損傷模擬過程，并輸出相應的損傷程度(即遭受破片的侵徹次數)。

2 正交試驗設計

正交試驗設計就是一種科學的安排與分析多因素試驗方法。李盼[11]針對蒙皮的影響因素進行了正交試驗設計，獲得了優化設計最優參數組合。根據本次試驗所需要進行的單因子影響因素分析要求，將炸點距離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作為本次正交試驗的表頭設計因子，單因素具體示意圖如圖3所示。其中點G為炮彈重心。由于本次正交試驗中，共有5個影響因子，每個因子具有5個水平，所以進行25次正交試驗。建立如表1所示反映單因子變化趨勢的因子水平表和表2所示的本次正交試驗的正交試驗表。

圖3 試驗效能影響因素示意圖

表1 因子水平

表2 正交試驗

3 試驗結果分析

根據構造的裝備仿真模型，以及確定的正交試驗表，利用裝備戰斗損傷仿真平臺進行仿真試驗，得出如表3所示，在25次試驗中各種情況下裝備遭受破片侵徹的數目。同時對試驗結果進行極差分析，即對正交試驗表中各列極差數值從大到小排列，得出對試驗結果產生主要影響的因素，進而對主要因素進行分析，得出更準確的試驗結論。

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

表3 仿真試驗結果統計

表4 各因素水平下仿真結果分析

表4中因子水平數值按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。由極差分析結果可以看出：各因素對裝備毀傷的影響程度大小按從大至小順序排列分別為：炸點距離R>水平角θ1>彈種A>垂直高度H>高低角θ2。初步得出對裝備毀傷效果影響最大的因素為炸點距離R。

圖4 各因素影響曲線

由圖4所示各影響因素曲線趨勢可以看出：破片侵徹對裝備毀傷的影響程度隨著炸點距離R和高度H的增大而減小；隨著水平角和高低角的增大，出現先增大后減小再增大的趨勢；而5種彈藥對裝備毀傷的影響中，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 結論

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