
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 250425-.doi: 10.12382/bgxb.2025.0425
陈青青1,2, 张杰1,2,*(
), 王志勇1,2, 赵婷婷1,2, 张煜航3, 王志华1,2
收稿日期:2025-05-29
上线日期:2025-11-05
通讯作者:
基金资助:
CHEN Qingqing1,2, ZHANG Jie1,2,*(
), WANG Zhiyong1,2, ZHAO Tingting1,2, ZHANG Yuhang3, WANG Zhihua1,2
Received:2025-05-29
Online:2025-11-05
摘要: 针对传统侵彻效率预测模型依赖经验公式、适应性差且物理解释力不足的问题,采用一种融合量纲约束与符号回归算法的建模方法,构建了杆弹侵彻半无限金属靶板的侵彻效率预测模型。首先,基于物理先验知识将金属靶板侵彻过程中涉及的7个原始物理变量转化为4个具有明确物理意义的无量纲控制参数;随后,利用收集的819组实验数据,采用引入惩罚机制的遗传编程符号回归算法建立无量纲变量与侵彻效率之间的解析表达式。结果表明:在不同的侵彻工况下,所构建模型在拟合精度、泛化能力与表达结构简洁性方面均表现优异,平均决定系数R2均超过0.8,且能准确捕捉各无量纲参数对侵彻效率的非线性影响。该方法兼具预测精度与跨工况适应性,还可生成结构明确、物理含义清晰的解析表达式,有助于进一步理解各物理参量在侵彻响应过程中的作用机制。
陈青青, 张杰, 王志勇, 赵婷婷, 张煜航, 王志华. 基于量纲约束与符号回归的半无限金属靶板侵彻效率预测模型[J]. 兵工学报, 2025, 46(10): 250425-.
CHEN Qingqing, ZHANG Jie, WANG Zhiyong, ZHAO Tingting, ZHANG Yuhang, WANG Zhihua. A Predictive Model for Penetration Efficiency of Semi-Infinite Metallic Targets Based on Dimensional Constraints and Symbolic Regression[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(10): 250425-.
| 种类 | 侵彻方式 | 统计分析 | 杆弹长径 比L/D | 弹靶密度比 ρt/ρp | 弹靶刚度比 HBt/HBp | Johnson破坏数 ρpV2/HBt | 侵彻效率 P/L |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最大值 | 9.99 | 2.90 | 5.8 | 1051.7 | 3.22 | ||
| 最小值 | 1 | 0.35 | 0.14 | 2.38 | 0.01 | ||
| 低速侵彻V<2000m/s | 均值 | 3.50 | 1.01 | 1.13 | 115.3 | 0.61 | |
| 中位数 | 3 | 1 | 1 | 58.81 | 0.50 | ||
| 短杆弹L/D<10 | 标准差 | 1.82 | 0.62 | 1.13 | 154 | 0.51 | |
| 最大值 | 9.99 | 2.90 | 5.8 | 9859.6 | 7 | ||
| 最小值 | 1 | 0.35 | 0.07 | 64.77 | 0.29 | ||
| 高速侵彻V≥2000m/s | 均值 | 3.59 | 0.85 | 0.96 | 930.26 | 1.69 | |
| 中位数 | 3 | 1 | 0.91 | 351.7 | 1.49 | ||
| 标准差 | 2.39 | 0.53 | 0.86 | 1525.54 | 0.99 | ||
| 最大值 | 32.04 | 4.15 | 1.32 | 349.40 | 2.18 | ||
| 最小值 | 10 | 0.17 | 0.18 | 8.34 | 0.01 | ||
| 低速侵彻V<1300m/s | 均值 | 11.58 | 0.78 | 0.74 | 71.67 | 0.39 | |
| 中位数 | 10 | 0.46 | 0.63 | 60.7 | 0.31 | ||
| 长杆弹L/D≥10 | 标准差 | 4.69 | 0.84 | 0.32 | 62.23 | 0.40 | |
| 最大值 | 32.04 | 4.15 | 1.32 | 3836.7 | 3.61 | ||
| 最小值 | 10 | 0.17 | 0.18 | 41.10 | 0.16 | ||
| 高速侵彻V≥1300m/s | 均值 | 12.56 | 0.74 | 0.71 | 355.88 | 1.12 | |
| 中位数 | 10 | 0.46 | 0.63 | 248.03 | 1.05 | ||
| 标准差 | 5.32 | 0.80 | 0.29 | 444.01 | 0.56 |
表1 半无限金属靶板侵彻的数据统计分析
Table 1 Bounds of the independent variables in the penetration into semi-infinite metal target
| 种类 | 侵彻方式 | 统计分析 | 杆弹长径 比L/D | 弹靶密度比 ρt/ρp | 弹靶刚度比 HBt/HBp | Johnson破坏数 ρpV2/HBt | 侵彻效率 P/L |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最大值 | 9.99 | 2.90 | 5.8 | 1051.7 | 3.22 | ||
| 最小值 | 1 | 0.35 | 0.14 | 2.38 | 0.01 | ||
| 低速侵彻V<2000m/s | 均值 | 3.50 | 1.01 | 1.13 | 115.3 | 0.61 | |
| 中位数 | 3 | 1 | 1 | 58.81 | 0.50 | ||
| 短杆弹L/D<10 | 标准差 | 1.82 | 0.62 | 1.13 | 154 | 0.51 | |
| 最大值 | 9.99 | 2.90 | 5.8 | 9859.6 | 7 | ||
| 最小值 | 1 | 0.35 | 0.07 | 64.77 | 0.29 | ||
| 高速侵彻V≥2000m/s | 均值 | 3.59 | 0.85 | 0.96 | 930.26 | 1.69 | |
| 中位数 | 3 | 1 | 0.91 | 351.7 | 1.49 | ||
| 标准差 | 2.39 | 0.53 | 0.86 | 1525.54 | 0.99 | ||
| 最大值 | 32.04 | 4.15 | 1.32 | 349.40 | 2.18 | ||
| 最小值 | 10 | 0.17 | 0.18 | 8.34 | 0.01 | ||
| 低速侵彻V<1300m/s | 均值 | 11.58 | 0.78 | 0.74 | 71.67 | 0.39 | |
| 中位数 | 10 | 0.46 | 0.63 | 60.7 | 0.31 | ||
| 长杆弹L/D≥10 | 标准差 | 4.69 | 0.84 | 0.32 | 62.23 | 0.40 | |
| 最大值 | 32.04 | 4.15 | 1.32 | 3836.7 | 3.61 | ||
| 最小值 | 10 | 0.17 | 0.18 | 41.10 | 0.16 | ||
| 高速侵彻V≥1300m/s | 均值 | 12.56 | 0.74 | 0.71 | 355.88 | 1.12 | |
| 中位数 | 10 | 0.46 | 0.63 | 248.03 | 1.05 | ||
| 标准差 | 5.32 | 0.80 | 0.29 | 444.01 | 0.56 |
| 超参数名称与 说明 | 不同侵彻工况下的超参数取值 | |||
|---|---|---|---|---|
| 短杆弹低速 | 短杆弹高速 | 长杆弹低速 | 长杆弹高速 | |
| 种群规模 | 960 | 820 | 920 | 930 |
| 迭代次数 | 472 | 350 | 430 | 456 |
| 惩罚项系数 | 0.006 | 0.004 | 0.01 | 0.07 |
表2 基于GPSR算法在不同侵彻工况下的模型超参数取值
Table 2 GPSR-based model hyperparameter configurations across different penetration conditions
| 超参数名称与 说明 | 不同侵彻工况下的超参数取值 | |||
|---|---|---|---|---|
| 短杆弹低速 | 短杆弹高速 | 长杆弹低速 | 长杆弹高速 | |
| 种群规模 | 960 | 820 | 920 | 930 |
| 迭代次数 | 472 | 350 | 430 | 456 |
| 惩罚项系数 | 0.006 | 0.004 | 0.01 | 0.07 |
| 操作符 | 复杂度系数 | 操作符 | 复杂度系数 | |
|---|---|---|---|---|
| 常数 | 1 | 除 | 2 | |
| 输入变量 | 1 | 指数函数 | 4 | |
| 加 | 1 | 幂函数 | 5 | |
| 减 | 1 | 平方根 | 4 | |
| 乘 | 1 | 绝对值 | 4 |
表3 特定操作的复杂度系数
Table 3 Complexity coefficient of a particular operation
| 操作符 | 复杂度系数 | 操作符 | 复杂度系数 | |
|---|---|---|---|---|
| 常数 | 1 | 除 | 2 | |
| 输入变量 | 1 | 指数函数 | 4 | |
| 加 | 1 | 幂函数 | 5 | |
| 减 | 1 | 平方根 | 4 | |
| 乘 | 1 | 绝对值 | 4 |
| 侵彻工况 | 训练集 | 测试集 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MSE | R2 | MAE | MAPE/% | EVS | MSE | R2 | MAE | MAPE/% | EVS | |
| 短杆弹低速侵彻 | 0.01 | 0.93 | 0.09 | 37 | 0.93 | 0.03 | 0.89 | 0.12 | 56 | 0.89 |
| 短杆弹高速侵彻 | 0.09 | 0.91 | 0.22 | 18 | 0.92 | 0.10 | 0.87 | 0.23 | 15 | 0.87 |
| 长杆弹低速侵彻 | 0.02 | 0.81 | 0.11 | 73 | 0.82 | 0.02 | 0.94 | 0.09 | 82 | 0.95 |
| 长杆弹高速侵彻 | 0.02 | 0.94 | 0.09 | 10 | 0.94 | 0.02 | 0.93 | 0.10 | 13 | 0.92 |
表4 不同侵彻工况下侵彻效率表达式评估指标
Table 4 Evaluation metrics of the penetration efficiency expressions under different penetration conditions
| 侵彻工况 | 训练集 | 测试集 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MSE | R2 | MAE | MAPE/% | EVS | MSE | R2 | MAE | MAPE/% | EVS | |
| 短杆弹低速侵彻 | 0.01 | 0.93 | 0.09 | 37 | 0.93 | 0.03 | 0.89 | 0.12 | 56 | 0.89 |
| 短杆弹高速侵彻 | 0.09 | 0.91 | 0.22 | 18 | 0.92 | 0.10 | 0.87 | 0.23 | 15 | 0.87 |
| 长杆弹低速侵彻 | 0.02 | 0.81 | 0.11 | 73 | 0.82 | 0.02 | 0.94 | 0.09 | 82 | 0.95 |
| 长杆弹高速侵彻 | 0.02 | 0.94 | 0.09 | 10 | 0.94 | 0.02 | 0.93 | 0.10 | 13 | 0.92 |
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