球形靶試驗虛擬仿真軟件設計與開發

田佳鑫 趙洪志 張潤 陳景 左君

摘 ?要：靶場試驗是評定彈丸性能的重要手段，但由于試驗過程危險性高、試驗成本高，導致兵器類專業試驗教學中靶場試驗不易開展。該文以球形靶試驗為例，提出一種基于虛擬仿真技術實現球形靶試驗過程的方法，以國軍標中球形靶試驗方法為依據，梳理球形靶試驗理論計算模型，使用Unity3D、MySQL、3ds MAX和VS2019等軟件，開發球形靶試驗虛擬仿真軟件，并以某殺爆彈為例，進行演示和驗證。結果表明，所提方法能夠模擬再現球形靶試驗的過程，場景逼真，為靶場試驗或專業教學提供參考。

關鍵詞：球形靶試驗；虛擬仿真；Unity3D；彈丸；軟件設計

中圖分類號：TP391.9 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0041-04

Abstract： Shooting range experiment is an important means to evaluate the performance of projectile， but it is difficult to carry out shooting range experiment in the experimental teaching of weapon specialty because of its high risk and high cost. Taking the spherical target experiment as an example， this paper puts forward a method to realize the process of spherical target experiment based on virtual simulation technology， and combs the theoretical calculation model of spherical target experiment based on the method of spherical target experiment in national military standard. The virtual simulation software of spherical target experiment is developed by using Unity3D， MySQL， 3ds MAX and VS2019， and a bomb is taken as an example to demonstrate and verify. The results show that the proposed method can simulate and reproduce the process of spherical target experiment， and the scene is lifelike， which can provide reference for shooting range experiment or professional teaching.

Keywords： spherical target experiment; virtual simulation; Unity3D; projectile; software design

靶場試驗危險性較高，兵工類院校大多已停止開展此類試驗的教學，導致學生不能直觀感受彈丸爆炸、破片飛散的過程，也無法練習對破片速度進行測試。隨著現代軍事及科學技術的快速發展，仿真技術已經十分廣泛地應用于各行各業中，尤其是試驗研究方面可以通過仿真來達到相應的目的[1-3]。對于靶場試驗過程仿真，國內外研究者在各個方面都有具體的研究，比如破片飛散試驗、靶板測試試驗、軟件仿真試驗等[4-5]。崔瀚等[6]應用Unity3D虛擬現實開發引擎，建立一套火炮外彈道虛擬視景仿真系統，能在視覺上更好地表現火炮發射和彈丸的飛行狀態，為武器彈藥研發者提供參考。劉闖等[7]在基于Unity3D平臺上以扇形靶試驗為例開發出殺爆彈靜爆試驗系統，在教學過程中具有重大應用意義。黃巍等[8]基于虛擬現實技術，在Unity平臺設計并實現了多管火箭炮虛擬拆裝系統，實現了火箭炮的結構展示、裝配模擬、射擊模擬，降低了試驗教學成本，同時提高了安全性。

本文依據國軍標GJB 3197—98《炮彈試驗方法》中的球形靶試驗要求，梳理球形靶試驗理論計算模型，使用Unity3D視景軟件、MySQL數據庫軟件、3ds MAX建模軟件和VS2019編程軟件，開發了球形靶試驗虛擬仿真軟件，操作者可通過虛擬仿真軟件，體驗球形靶試驗過程。

1 ?軟件設計

球形靶試驗虛擬仿真軟件包括4個功能模塊，分別為用戶管理模塊、理論知識模塊、試驗訓練模塊和試驗考核模塊，如圖1所示。用戶管理模塊實現了用戶管理和試驗成績管理；理論知識模塊實現了試驗目的、內容、步驟及相關知識的介紹；試驗訓練模塊實現了按照試驗操作向導完成試驗操作；試驗考核模塊實現了用戶單獨完成試驗操作，動態顯示彈丸爆炸、破片飛散過程及破片著靶數，并最終給出操作者的試驗成績。

2 ?計算模型

為了使仿真過程更具有參考價值和指導意義，在Unity3D中彈丸爆炸后產生的破片數量、破片質量、破片初速和破片飛散方向角等威力表征參數都采用常用的理論計算模型獲得，具體計算模型如下。

2.1 ?破片數量計算模型

式中：N為破片數量；M為炸藥與彈體金屬的質量和，kg；α為炸藥裝填系數，由炸藥質量和彈體金屬的質量比值得出。

2.2 ?破片質量分布計算模型

式中：N（m）為質量大于等于m的破片數量；M為彈丸殼體質量，kg；λ為經驗常數，對于薄壁彈體爆炸的過程符合二維結果，其值為1/2，對于厚壁彈體，λ為1/3；a為常數，當λ為1/2時，a取2，當λ為1/3時，a取6；μ為破片的平均質量，kg。

2.3 ?破片初速計算模型

計算得到破片的分布率數據可作出破片的空間分布曲線，而每個球帶之前的分布率之和又可以得到飛散特性曲線。

2.6 ?破片存速計算模型

彈丸爆炸后形成的破片在爆轟產物的作用下獲得初速，不計重力對破片的影響，破片在空氣阻力的作用下速度會出現衰減。破片飛行距離爆點位置x處的速度？淄x被稱為破片存速。

3 ?試驗內容設計

依據國軍標GJB 3197—98《炮彈試驗方法》中的球形靶試驗要求，可將試驗項目內容分為試驗準備、彈丸的安裝、測速裝置的布置與連線及試驗數據整理。

3.1 ?試驗準備

試驗準備主要包括球形靶、彈丸、測速裝置和試驗場地等的準備。球形靶是由在自然條件下干燥的三等松木板或強度相當的其他木板制成，這些木板厚度為25 mm，長度1 m，高度為3 m，半徑為5 m，共計15塊，從而構成半圓形靶板。

3.2 ?彈丸的安裝

將彈丸豎直放置在爆樁上，使被試彈丸放置后其質心距地面的距離為1.5 m。

3.3 ?測速裝置的布置與連線

在以爆點為圓心的破片的不同飛散方向上確定測速靶點，各測速通靶距爆點的距離根據被測彈丸的口徑確定，測速通靶安放完畢后，接線計時儀，準備試驗。

3.4 ?試驗數據整理

根據每發彈丸的爆炸結果，編制一份球形靶上不同區域著靶破片數量的統計表，并依據國軍標獲得破片飛散規律。

4 ?試驗場景三維建模

三維模型是整個試驗過程仿真實現的基礎，采用3ds MAX軟件構建試驗場景所需模型并進行效果渲染，包括試驗場地模型、靶板、靶架、測試彈丸、爆樁、測速通斷靶、導線和測試儀器等，并導入到Unity3D中，部分模型效果如圖2所示。

5 ?軟件實現

球形靶試驗虛擬仿真軟件采用VS2019、Unity3D、MySQL和3ds MAX等軟件開發，實現用戶和軟件的交互，用戶進入虛擬試驗場景中，根據場景中的指導性文字開始進行試驗操作，最終完成球形靶虛擬仿真試驗。

5.1 ?球形靶試驗虛擬仿真軟件主界面

操作者輸入正確用戶名、密碼后就能夠進入軟件主界面，如圖3所示。該界面下包括試驗簡介、理論知識、試驗訓練和試驗考核4個模塊。

5.2 ?理論知識操作界面

該界面包括試驗目的、操作步驟、試驗設備、試驗條件和試驗準備等操作，詳細介紹了球形靶試驗過程中所需掌握的知識，如圖4所示。

5.3 ?試驗訓練操作界面

試驗訓練和試驗考核都可以實現對球形靶試驗的操作，試驗訓練具有試驗過程文字性指導操作功能，試驗考核由操作者獨立完成。以試驗訓練為例進行球形靶試驗仿真過程操作介紹，進入試驗訓練后，根據操作指導進行試驗，彈丸起爆并顯示破片飛散過程及破片著靶過程，如圖5所示，測試設備顯示測得破片初速，并自動統計每塊靶板上的破片數量，如圖6所示。根據統計的破片著靶數量，參照國軍標可獲得破片空間分布和破片飛散曲線，為靶場試驗或專業教學提供參考。

6 ?結論

依據國軍標GJB 3197—98《炮彈試驗方法》中的球形靶試驗要求，基于Unity3D平臺，應用典型經驗公式模型，結合球形靶試驗開展的實際情況，建立了球形靶試驗的虛擬場景，完成了試驗過程的虛擬仿真，使操作者了解試驗過程和步驟，動態展示了球形靶試驗中破片飛散與著靶過程，并統計每塊靶板上的破片數量，為獲得彈丸爆炸后的破片飛散規律提供參考。

球形靶試驗虛擬仿真軟件解決了高校此類試驗教學無法開展的問題，而且提高了學生學習興趣，輔助課堂教學，培養學生的動手能力，保證試驗的經濟性和安全性，方便實現資源共享。

參考文獻：

[1] 徐敬青，崔平，文健，等.基于3DSMAX和Unity3D的末制導炮彈射擊準備虛擬訓練系統設計[J].兵器裝備工程學報，2021，42（7）：30-34.

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[7] 劉闖，曹紅松，張雨，等.基于VR的殺爆彈靜爆實驗系統設計與開發[J].實驗室研究與探索，2018，37（8）：153-157.

[8] 黃巍，韓旭東，朱彬峰.基于Unity3D的多管火箭炮虛擬拆裝系統設計[J].機械工程師，2019（6）：21-22.