一种基于ISIGHT软件的弹丸全弹道优化设计方法与流程

本发明涉及枪弹领域，特别涉及一种基于isight软件的弹丸全弹道优化设计方法。

背景技术：

枪弹弹丸设计过程涉及到内弹道学、结构力学、气体动力学、飞行力学、终点弹道学等学科专业，整个弹道过程是由诸多参量相互作用而成的复杂过程，每个弹道段之间紧密联系，任一参量的变化都有可能给枪弹系统乃至整个武器系统带来很大影响。

现有技术对于弹丸的设计，通常都是针对某一具体弹道段内过程的设计与优化，如内弹道过程、外弹道过程和气动力过程等，忽略了各弹道段之间的相互作用与影响，在弹丸当前参数在某弹道段过程达到最优时，其在其余弹道段则有可能不能满足设计要求，因此，仅单独研究某一弹道段不能真实反映武器系统的弹道过程，难以达到系统最优。

最优化理论和方法的发展，为弹丸在全弹道最优时的设计提供了一个实用方便的途径，使设计者可以从更加宏观的角度，综合考虑各种矛盾，设计出系统最优的方案；但是，现有技术中并没有公开相关的全优化设计分析方法。

技术实现要素：

本发明需解决的技术问题是提供一种弹丸全弹道优化的设计方法，以获得全弹道综合性能最优时弹丸的结构设计方案，提高枪弹系统乃至整个武器系统的性能。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于isight软件的弹丸全弹道优化设计方法，其采用的技术方案如下：

s1、确定弹丸全弹道综合分析流程；

s2、确定弹丸的基本结构，建立弹丸全弹道优化模型，并基于isight软件确定所述优化模型的优化参数、优化目标以及优化约束条件；

s3、基于isight软件定制全弹道优化设计流程，获得全弹道综合性能最优时的弹丸设计参数。

优选的，所述步骤s1中弹丸全弹道综合分析包括：

弹丸结构特征量分析、内弹道性能分析、结构强度校核、弹道性能分析、飞行稳定性分析和终点效应分析。

优选的，所述步骤s1进一步包括：

s11、建立弹丸结构特征量计算模型；所述弹丸结构特征量包括弹重、重心位置、极转动惯量和赤道转动惯量；

s12、建立内弹道计算模型；所述内弹道计算模型用于根据枪械结构和弹药装填条件，分析弹丸在膛内运动时内弹道诸元的变化规律；

s13、建立弹丸强度校核计算模型；所述弹丸强度校核计算模型用于计算枪弹发射时弹丸所受的挤压应力、剪应力及切向应力，并验证其是否满足预设的强度条件；

s14、建立外弹道计算模型；所述外弹道计算模型用于根据弹丸飞行时的质点外弹道特性，获取质点外弹道的弹道诸元和弹道曲线；

s15、建立弹丸飞行稳定性计算模型；所述弹丸飞行稳定性计算模型用于计算旋转弹丸的飞行稳定性；

s16、建立终点效应分析模型；所述终点效应分析模型用于衡量弹丸在目标区域的运动规律、对目标的作用机理及威力效应；

s17、确定弹丸全弹道综合分析流程；

所述综合分析流程为：依次执行弹丸结构特征量计算模型、内弹道计算模型、弹丸强度校核计算模型、外弹道计算模型、弹丸飞行稳定性计算模型以及终点效应分析模型。

优选的，所述步骤s2中弹丸的基本结构包括弹丸的外形尺寸、弹丸的元件尺寸以及元件材料；

其中，所述弹丸的外形尺寸设计包括弹丸全长、弹丸尾锥角、弹丸尾锥长度、弹丸圆柱部直径、弹丸弧形底部直径、弹丸弧形高度、弹丸弧形部半径；

所述弹丸的元件尺寸设计包括弹丸壳内腔弧形高度、弹丸壳厚度、弹丸尖部圆弧半径、弹丸尖部圆弧高度、弹丸壳内尖部圆弧半径、弹丸壳内尖部圆弧高度、钢芯圆柱部直径、钢芯弧形部圆心下移量、钢芯弧形部半径、钢芯弧形部小端直径、钢芯弧形部高度；

所述弹丸弹壳和钢芯的材料为钢，铅套的材料为铅。

优选的，所述步骤s2中，基于isight软件确定所述优化模型的优化参数具体为：

基于isight软件的doe模块，设置doe模块的目标响应、灵敏度分析因子、参数水平以及约束条件，确定灵敏度分析因子对弹丸全弹道综合分析流程中各模块的影响程度，并从中选择出最终的优化参数；

所述基于isight软件确定所述优化模型的优化参数进一步包括：

a)在doe模块中设置其目标响应为：

a1)选取最大膛压、枪口速度作为内弹道计算模型的目标响应；

a2)将弹丸在空气飞行过程中以最大弹道高、400米处射速作为外弹道计算模型的目标响应；

a3)以保证弹丸稳定飞行的膛线缠度设计要求、陀螺稳定因子作为弹丸飞行稳定性计算模型的目标响应；

a4)选取圆柱部承受压应力和剪应力、弹丸壳切向应力作为弹丸强度校核计算模型的目标响应；

a5)将400米处射速作为终点效应分析模型的目标响应；

b)在doe模块中，将弹丸基本结构中的18个结构参数作为灵敏度分析因子；

c)在doe模块中设置其参数水平为：

弹丸全长、弹丸弧形高度及弹丸弧形部半径相对初始值的变动范围均设置为-10％～+10％，弹丸尾锥角参数范围设置为60～90，其余14个结构参数相对初始值的变动范围则设为-5％～+5％；

d)在doe模块中设置其约束条件为：

最大膛压≤300mpa、最大弹道高＜5.0m、最大膛线缠度ηmax＞35，陀螺稳定因子sg＞1、弹丸圆柱部承受压应力σy＜30kgf/mm²、弹丸圆柱部抗剪强度τ＜28kgf/mm²、弹丸壳切向应力σ＜30kgf/mm²；

所述最终的优化参数为：弹丸全长；弹丸弧形高度；弹丸圆柱部直径；弹丸弧形底部直径；弹丸弧形部半径；弹丸尾锥长度；弹丸尾锥角；弹丸壳厚度；钢芯圆柱部直径。

优选的，所述步骤s2中，所述弹丸全弹道优化模型的目标函数为有效射程处的动能以及弹丸圆柱部承受的压应力。

优选的，所述步骤s2中，所述弹丸全弹道优化模型的约束条件为：

弹丸圆柱部长度0.69cm＜lz＜1.13cm；弹丸重量7.75g＜q＜8.05g；杀伤防护敌人动能ec＞31公斤·米；最大膛压pm≤300mpa，最大弹道高ym≤5.0m；陀螺稳定因子sg＞1；弹丸圆柱部承受压应力σy＜30kgf/mm²；弹丸圆柱部承受剪应力τ＜28kgf/mm²；弹丸壳承受切应力σ＜30kgf/mm²。

优选的，所述步骤s3进一步包括：

s31、在isight软件中，通过simcode组件按照弹丸全弹道综合分析流程顺序解析加载，实现计算程序的连接；

s32、在isight软件中，通过optimization组件的variables选项，将优化模型中各优化参数初始化，并确定其取值范围；

s33、在isight软件中，通过optimization组件的objectives选项，设置优化模型的优化目标；

s34、在isight软件中，通过optimization组件的constaints选项，设置优化模型的约束条件；

s35、在isight软件中，通过optimization组件的general选项，选择多目标优化算法；

s36、在isight软件中，选择runcomponent进行运行计算，得到最优解，完成全弹道综合性能最优时弹丸的参数设计。

优选的，所述步骤s35中：多目标优化算法为第二代非劣排序遗传算法、邻域培植多目标遗传算法、存档微遗传算法、全局多目标梯度探索算法、粒子群优化算法中的任一种。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基于isight软件的弹丸全弹道优化设计方法，综合考虑了各弹道段之间的紧密联系，解决了内弹道学、结构力学、气体动力学、飞行力学、终点弹道学等学科专业间的耦合匹配问题，能够获得全弹道综合性能最优的弹丸结构设计方案，从而提高了枪弹系统乃至整个武器系统的性能；本发明对提高弹丸设计质量和效率，降低设计成本有较大的实用价值。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种基于isight软件的弹丸全弹道优化设计方法的流程图；

图2为本发明一实施例的步枪弹结构特征量计算软件示意图；

图3为本发明一实施例的内弹道计算软件示意图；

图4为本发明一实施例的度校核计算软件示意图；

图5为本发明一实施例的外弹道计算软件示意图；

图6为本发明一实施例的飞行稳定性计算软件界面示意图；

图7是本发明一实施例中灵敏度分析实验流程图；

图8是本发明一实施例中结构参数对最大膛压的影响程度图；

图9是本发明一实施例中结构参数对枪口速度的影响程度图；

图10是本发明一实施例中结构参数对σy的影响程度图；

图11是本发明一实施例中结构参数对τ的影响程度图；

图12是本发明一实施例中结构参数对σ的影响程度图；

图13是本发明一实施例中结构参数对弹道高的影响程度图；

图14是本发明一实施例中结构参数对射速的影响程度图；

图15是本发明一实施例中结构参数对[η]的影响程度图；

图16是本发明一实施例中结构参数对sg的影响程度图；

图17是本发明一实施例中弹丸全弹道优化设计流程图；

图18是本发明一实施例中弹丸全弹道综合设计优化各模块间的数据传递关系图；

图19是本发明一实施例中部分优化运行结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提出了一种基于isight软件的弹丸全弹道优化设计方法，能够综合考虑各弹道段之间的紧密联系，解决内弹道学、结构力学、气体动力学、飞行力学、终点弹道学等学科专业间的耦合匹配问题，获得全弹道综合性能最优的弹丸结构设计方案。以56式7.62mm普通弹为例，如图1所示，本发明提供了一种基于isight软件的弹丸全弹道优化设计方法，包括以下步骤：

s1、确定弹丸全弹道综合分析流程；

针对弹丸设计方案，结合战术技术指标要求，弹丸的全弹道综合分析应该包括弹丸结构特征量分析、内弹道性能分析、结构强度校核、弹道性能分析、飞行稳定性分析、终点效应分析等。首先根据相关学科理论，设计开发各个计算分析模块，通过分析各模块输入输出及模块间的数据传递关系，并结合枪弹行业研发业务习惯，制定合理的弹丸全弹道综合分析流程。其具体包括：

s11、建立弹丸结构特征量计算模型；所述弹丸结构特征量包括弹重q、重心位置xc、极转动惯量a和赤道转动惯量b；

采用解析计算法，建立弹丸结构特征量计算模型，并采用c++编程语言编制枪弹弹丸结构特征量计算软件，执行文件为.exe文件，如图2所示；

s12、建立内弹道计算模型；所述内弹道计算模型用于根据枪械结构和弹药装填条件，分析弹丸在膛内运动时内弹道诸元的变化规律；

依据经典的内弹道学理论，建立内弹道计算模型，采用c++编程语言编制形成.exe的内弹道计算软件，如图3所示；

s13、建立弹丸强度校核计算模型；所述弹丸强度校核计算模型用于计算枪弹发射时弹丸所受的挤压应力、剪应力及切向应力，并验证其是否满足预设的强度条件；

建立弹丸强度校核计算模型，并采用c++编程语言编制.exe的强度校核分析软件，如图4所示；

s14、建立外弹道计算模型；所述外弹道计算模型用于根据弹丸飞行时的质点外弹道特性，获取质点外弹道的弹道诸元和弹道曲线；

在该步骤中，利用弹丸结构参数及阻力定律或计算出来的空气阻力参数从理论上分析弹丸飞行时的质点外弹道特性；

建立外弹道计算模型，并采用c++编程语言编制.exe的外弹道计算分析软件，如图5所示；

s15、建立弹丸飞行稳定性计算模型；所述弹丸飞行稳定性计算模型用于计算旋转弹丸的飞行稳定性；

所述计算旋转弹丸的飞行稳定性即计算陀螺稳定性、动态稳定性和追随稳定性。

依据旋转弹丸飞行基本理论，建立弹丸飞行稳定性计算模型，并采用c++编程语言编制.exe的飞行稳定性计算软件，如图6所示。

s16、建立终点效应分析模型；所述终点效应分析模型用于衡量弹丸在目标区域的运动规律、对目标的作用机理及威力效应；

对于枪弹弹丸来说，主要用有效动能来衡量其终点效应，可根据有效射程处的弹丸飞行速度及弹重确定。

s17、确定弹丸全弹道综合分析流程；

通过分析各模块的输入输出关系，梳理模块间的数据传递关系，并结合行业研发业务习惯，确定弹丸全弹道综合分析流程。

所述综合分析流程最终确定为：依次执行弹丸结构特征量计算模型、内弹道计算模型、弹丸强度校核计算模型、外弹道计算模型、弹丸飞行稳定性计算模型以及终点效应分析模型。

s2、确定弹丸的基本结构，建立弹丸全弹道优化模型，并基于isight软件确定所述优化模型的优化参数、优化目标以及优化约束条件；

在该步骤中，需确定弹丸基本结构形式，并利用相关理论公式大致确定出外形尺寸和弹丸元件尺寸的范围，选择元件材料，完成弹丸结构初步设计。其中：

所述弹丸的外形尺寸设计包括弹丸全长、弹丸尾锥角、弹丸尾锥长度、弹丸圆柱部直径、弹丸弧形底部直径、弹丸弧形高度、弹丸弧形部半径；

所述弹丸的元件尺寸设计包括弹丸壳内腔弧形高度、弹丸壳厚度、弹丸尖部圆弧半径、弹丸尖部圆弧高度、弹丸壳内尖部圆弧半径、弹丸壳内尖部圆弧高度、钢芯圆柱部直径、钢芯弧形部圆心下移量、钢芯弧形部半径、钢芯弧形部小端直径、钢芯弧形部高度；

所述弹丸弹壳和钢芯的材料为钢，铅套的材料为铅。

在所述步骤s2中，基于isight软件确定所述优化模型的优化参数具体为：

基于isight软件的doe模块，设置doe模块的目标响应、灵敏度分析因子、参数水平以及约束条件，确定灵敏度分析因子对弹丸全弹道综合分析流程中各模块的影响程度，综合分析上述结果，从中选择出最终的优化参数；

如图7所示，所述基于isight软件确定所述优化模型的优化参数进一步包括：

a)在doe模块中设置其目标响应为：

a1)选取最大膛压pm、枪口速度v0作为内弹道计算模型的目标响应；

a2)将弹丸在空气飞行过程中以最大弹道高ym、400米处射速v400作为外弹道计算模型的目标响应；

a3)以保证弹丸稳定飞行的膛线缠度设计要求[η]、陀螺稳定因子sg作为弹丸飞行稳定性计算模型的目标响应；

a4)选取圆柱部承受压应力σy和剪应力τ、弹丸壳切向应力σ作为弹丸强度校核计算模型的目标响应；

a5)将400米处射速v400作为终点效应分析模型的目标响应；

b)在doe模块中，将弹丸基本结构中的18个结构参数作为灵敏度分析因子；

c)根据普通弹的设计要求，每个结构参数的水平取值也各不相同。在doe模块中设置其参数水平为：

弹丸全长、弹丸弧形高度及弹丸弧形部半径相对初始值的变动范围均设置为-10％～+10％，弹丸尾锥角参数范围设置为60～90，其余14个结构参数相对初始值的变动范围则设为-5％～+5％；

d)在doe模块中设置其约束条件为：

最大膛压≤300mpa、最大弹道高＜5.0m、最大膛线缠度ηmax＞35，陀螺稳定因子sg＞1、弹丸圆柱部承受压应力σy＜30kgf/mm²、弹丸圆柱部抗剪强度τ＜28kgf/mm²、弹丸壳切向应力σ＜30kgf/mm²；

为了能够更加直观地反映结构参数对各响应的贡献程度，利用isight软件生成的pareto图来进行反映。如图8和图9所示，弹丸全长lt、弹丸圆柱部直径dz、弹丸弧形底部直径dh、弹丸弧形部半径r、弹丸弧形高度h、钢芯直径xdz和弹丸壳厚度tz对内弹道性能的影响程度较大；如图10-12所示，弹丸圆柱部直径dz、弹丸全长lt、弹丸弧形底部直径dh、弹丸弧形高度h、尾锥长度lw、钢芯直径xdz、弹丸壳厚度tz、弹丸弧形半径r及尾锥长度lw对弹丸发射强度的影响程度较大；如图13和图14所示，弹丸弧形底部直径dh、弹丸全长lt、弹丸圆柱部直径dz、钢芯直径xdz、弹丸壳弧形半径r、尾锥长度lw、弹丸尾锥角β对弹丸外弹道性能和终点效应的影响程度较大；如图15和图16所示，弹丸弧形底部直径dh、弹丸圆柱部直径dz、弹丸全长lt、弧形部高度h对弹丸飞行稳定性的的影响程度较大。

综合上述分析结果，确定影响全弹道性能的关键因素。其具体包括弹丸全长lt；弹丸弧形高度h；弹丸圆柱部直径dz；弹丸弧形底部直径dh；弹丸弧形部半径r；弹丸尾锥长度lw；弹丸尾锥角β；弹丸壳厚度tz；钢芯直径xdz。

目标函数是衡量设计方案优劣的标准，针对所述基于全弹道性能的优化目标，目标函数应能体现全弹道综合性能，正如前述，全弹道性能包括内弹道性能、结构强度、气动外弹道性能、飞行稳定性性能、杀伤效能等，如果均列为目标函数，将增加优化问题的复杂度并可能无解，通常是将重要的目标做为目标函数，而将其余目标做为约束条件处理。在56式7.62mm普通弹优化设计中，选取弹丸威力和弹丸发射强度做为目标函数，进行多目标优化。

弹丸威力是衡量武器系统设计好坏的重要评价标准，以有效射程处的动能作为优化目标；弹丸发射的安全性要求弹头各元件在射击过程中有足够的强度，以弹头圆柱部承受的压应力作为优化目标。

在弹丸全弹道优化设计中，优化模型中边界约束应限制各设计变量的取值范围。具体为：

弹丸圆柱部长度0.69cm＜lz＜1.13cm；弹丸重量7.75g＜q＜8.05g；杀伤防护敌人动能ec＞31公斤·米；最大膛压pm≤300mpa，最大弹道高ym≤5.0m；陀螺稳定因子sg＞1；弹丸圆柱部承受压应力σy＜30kgf/mm²；弹丸圆柱部承受剪应力τ＜28kgf/mm²；弹丸壳承受切应力σ＜30kgf/mm²。

s3、基于isight软件定制全弹道优化设计流程，获得全弹道综合性能最优时的弹丸设计参数。具体包括：

s31、在isight软件中，通过simcode组件按照弹丸全弹道综合分析流程顺序解析加载，实现计算程序的连接；

isight通过图形界面gui以对话框形式实现计算程序的连接，通过simcode组件按照结构特征量、内弹道计算、强度校核、外弹道计算、飞行稳定性计算的顺序解析加载。

s32、在isight软件中，通过optimization组件的variables选项，将优化模型中各优化参数初始化，并确定其取值范围；

在该步骤中，所述各优化参数的取值范围根据给定参数的初始值和弹丸结构尺寸的计算公式计算得到；

在本发明的一个实施例中，弹头弧形高度h的初始值为15.95mm，下限为14.48mm，上限为26.67mm；弹头部全长lt的初始值为26.8mm，下限为26.67mm，上限为38.10mm；弹头圆柱部直径dz的初始值为7.92mm，下限为7.85mm，上限为7.93mm；弹头弧形底部直径dh的初始值为7.87mm，下限为7.85mm，上限为7.93mm；弹头尾锥长度lw的初始值为3.7mm，下限为3.43mm，上限为7.62mm；弹头壳厚度tz的初始值为0.56mm，下限为0.42mm，上限为0.61mm；钢芯直径xdz的初始值为5.85mm，下限为5.63mm，上限为6.79mm；弹头尾锥角β的初始值为9°，下限为6°，上限为9°。

s33、在isight软件中，通过optimization组件的objectives选项，设置优化模型的优化目标；

针对弹丸威力是衡量武器系统设计好坏的重要评价标准，以有效射程处的动能作为目标函数；

针对弹丸发射的安全性要求弹头各元件在射击过程中有足够的强度，以弹头圆柱部承受的压应力作为目标函数。

s34、在isight软件中，通过optimization组件的constaints选项，设置优化模型的约束条件；

在所述确定了目标函数之后，将其余目标做为约束条件处理，完成约束条件的设定。其中，弹头圆柱部长度0.69cm＜lz＜1.13cm；弹头重量7.75g＜q＜8.05g；杀伤防护敌人动能ec＞31公斤·米；最大膛压pm≤300mpa，最大弹道高ym≤5.0m；陀螺稳定因子sg＞1；弹头圆柱部承受压应力σy＜30kgf/mm²；弹头圆柱部承受剪应力τ＜28kgf/mm²；弹头壳承受切应力σ＜30kgf/mm²。

s35、在isight软件中，通过optimization组件的general选项，选择多目标优化算法，在优化迭代过程中产生新的设计变量；

其中，所述多目标优化算法可以为第二代非劣排序遗传算法、邻域培植多目标遗传算法、存档微遗传算法、全局多目标梯度探索算法、粒子群优化算法中的任一种。通过选择不同的优化算法最终得到满足设计要求的最优解。

s36、在isight软件中，选择runcomponent进行运行计算，得到最优解，完成全弹道综合性能最优时弹丸的参数设计。

如图17所示，为步骤s36的运行流程图，其数据传递关系图如图18所示，运算完毕后，得到的各组解如图19所示，其中，白色背景代表符合要求的可行解，灰色背景代表不可行违反约束的解，灰色背景加方框代表最优解。

本发明提供的一种基于isight软件的弹丸全弹道优化设计方法，综合考虑了各弹道段之间的紧密联系，解决了内弹道学、结构力学、气体动力学、飞行力学、终点弹道学等学科专业间的耦合匹配问题，能够获得全弹道综合性能最优的弹丸结构设计方案，从而提高了枪弹系统乃至整个武器系统的性能；本发明对提高弹丸设计质量和效率，降低设计成本有较大的实用价值。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。