兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (3): 240346-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0346
收稿日期:
2024-05-07
上线日期:
2025-03-26
通讯作者:
基金资助:
NING Jianguo, WANG Qi, LI Jianqiao*()
Received:
2024-05-07
Online:
2025-03-26
摘要:
棱柱形装药结构作为一种典型的非对称结构,其能量输出具有明显的方向性,预测其破片速度分布对于新型战斗部的结构设计和毁伤效率评估具有重要意义。针对棱柱形装药结构,建立一种基于人工神经网络的破片速度预测模型。为提高网络模型的效率和准确性,通过理论分析确定了影响破片速度分布的影响因素,为网络模型筛选出4个输入特征参数。通过调整这些特征参数的值,建立多组不同的数值模拟工况,通过数值模拟方法为网络模型提供数据集。用训练好的网络模型对测试集进行了预测,预测结果与数值模拟结果吻合较好,表明该网络模型预测棱柱形装药结构的破片分布具有较高的准确性,并且该神经网络模型具有良好的泛化能力。该神经网络模型具有计算速度快、预测精度高、易于建模等特点,可以较为精确地预测一端起爆条件下棱柱形结构的破片速度分布,为战斗部结构设计和毁伤效率评估提供数据参考。
宁建国, 汪齐, 栗建桥. 基于人工神经网络的三棱柱定向装药结构破片初速预测模型[J]. 兵工学报, 2025, 46(3): 240346-.
NING Jianguo, WANG Qi, LI Jianqiao. ANN-based Prediction Model for the Initial Velocity of Fragments in a Triangular Prism Directional Charge Structure[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(3): 240346-.
影响因素 | 物理量 | 量纲 |
---|---|---|
炸药 | me/g | M |
ρe/(g·cm-3) | L-3M | |
Ee/(cm2·μs-2) | L2 T-2 | |
γe/SI | 1 | |
铝壳 | ρs/(g·cm-3) | L-3M |
Es/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
μs/SI | 1 | |
Ys/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
hs/cm | L | |
Ss/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
R/cm | L | |
n/cm | L | |
α/SI | 1 | |
破片板 | ρf/(g·cm-3) | L-3M |
Ef/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
μf/SI | 1 | |
hf/cm | L | |
Yf/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
Sf/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
H/cm | L | |
W/cm | L | |
破片 | x/cm | L |
y/cm | L | |
l/cm | L | |
破片速度vf/(cm·μs-1) | L T-1 |
表1 破片速度问题中相关物理量及其单位和量纲
Table 1 Parameters,units,and dimensions related to fragment velocity
影响因素 | 物理量 | 量纲 |
---|---|---|
炸药 | me/g | M |
ρe/(g·cm-3) | L-3M | |
Ee/(cm2·μs-2) | L2 T-2 | |
γe/SI | 1 | |
铝壳 | ρs/(g·cm-3) | L-3M |
Es/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
μs/SI | 1 | |
Ys/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
hs/cm | L | |
Ss/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
R/cm | L | |
n/cm | L | |
α/SI | 1 | |
破片板 | ρf/(g·cm-3) | L-3M |
Ef/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
μf/SI | 1 | |
hf/cm | L | |
Yf/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
Sf/(g·cm-1·μs-2) | L-1M T-2 | |
H/cm | L | |
W/cm | L | |
破片 | x/cm | L |
y/cm | L | |
l/cm | L | |
破片速度vf/(cm·μs-1) | L T-1 |
材料 | A/MPa | B/MPa | C | n | m | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
45号钢 | 507 | 320 | 0.064 | 0.28 | 1.06 | 0.06 | 3.31 | -1.96 | 0.001 8 | 0.58 |
LY-12 | 546 | 678 | 0.024 | 0.71 | 1.56 | -0.068 | 0.451 | -0.952 | 0.036 | 0.697 |
表2 45号钢和LY-12铝的J-C材料模型参数
Table 2 J-C constitutive model parameters of 45 steel and LY-12 aluminum
材料 | A/MPa | B/MPa | C | n | m | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
45号钢 | 507 | 320 | 0.064 | 0.28 | 1.06 | 0.06 | 3.31 | -1.96 | 0.001 8 | 0.58 |
LY-12 | 546 | 678 | 0.024 | 0.71 | 1.56 | -0.068 | 0.451 | -0.952 | 0.036 | 0.697 |
ρ/ (g·cm-3) | pC-J/ GPa | DC-J/ (m·s-1) | C1/GPa | C2/GPa | r1 | r2 | ω |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1.717 | 29.5 | 7980 | 542 | 7.68 | 4.2 | 1.1 | 0.24 |
表3 B炸药的JWL参数
Table 3 JWL equation of state parameters of COMP-B
ρ/ (g·cm-3) | pC-J/ GPa | DC-J/ (m·s-1) | C1/GPa | C2/GPa | r1 | r2 | ω |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1.717 | 29.5 | 7980 | 542 | 7.68 | 4.2 | 1.1 | 0.24 |
α/rad | R/cm | n/cm | hs/cm | W/cm | H/cm | hf/cm | l/cm |
---|---|---|---|---|---|---|---|
π/2 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 3.6 | 18 | 0.5 | 1.0 |
表4 Ning等[11]的实验样本的几何参数
Table 4 Parameters of specimens in Ref.[11]
α/rad | R/cm | n/cm | hs/cm | W/cm | H/cm | hf/cm | l/cm |
---|---|---|---|---|---|---|---|
π/2 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 3.6 | 18 | 0.5 | 1.0 |
破片编号 | 数值模拟初速/ (m·s-1) | 试验初速/ (m·s-1) | 相对误差/% |
---|---|---|---|
1 | 1057.1 | 1144.3 | -7.6 |
2 | 1155.6 | 1164.3 | -0.8 |
3 | 1197.2 | 1182.0 | 1.3 |
4 | 1227.8 | 1196.9 | 2.6 |
5 | 1243.3 | 1208.8 | 2.9 |
6 | 1253.8 | 1217.2 | 3.0 |
7 | 1262.5 | 1222.4 | 3.3 |
8 | 1270.4 | 1224.4 | 3.8 |
9 | 1274.9 | 1223.3 | 4.2 |
10 | 1281.7 | 1219.6 | 5.1 |
11 | 1285.2 | 1213.6 | 5.9 |
12 | 1287.8 | 1205.8 | 6.8 |
13 | 1294.7 | 1196.7 | 8.2 |
14 | 1285.1 | 1186.9 | 8.3 |
15 | 1230.4 | 1176.9 | 4.6 |
表5 第3列破片初速仿真与试验结果对比
Table 5 Comparison of initial velocities of fragments on Rank 3
破片编号 | 数值模拟初速/ (m·s-1) | 试验初速/ (m·s-1) | 相对误差/% |
---|---|---|---|
1 | 1057.1 | 1144.3 | -7.6 |
2 | 1155.6 | 1164.3 | -0.8 |
3 | 1197.2 | 1182.0 | 1.3 |
4 | 1227.8 | 1196.9 | 2.6 |
5 | 1243.3 | 1208.8 | 2.9 |
6 | 1253.8 | 1217.2 | 3.0 |
7 | 1262.5 | 1222.4 | 3.3 |
8 | 1270.4 | 1224.4 | 3.8 |
9 | 1274.9 | 1223.3 | 4.2 |
10 | 1281.7 | 1219.6 | 5.1 |
11 | 1285.2 | 1213.6 | 5.9 |
12 | 1287.8 | 1205.8 | 6.8 |
13 | 1294.7 | 1196.7 | 8.2 |
14 | 1285.1 | 1186.9 | 8.3 |
15 | 1230.4 | 1176.9 | 4.6 |
破片列号 | 数值模拟平均速 度/(m·s-1) | 试验平均速 度/(m·s-1) | 相对误 差/% |
---|---|---|---|
第1列和第5列 | 1 134.3 | 1 071.7 | 5.8 |
第3列 | 1241.2 | 1188.2 | 4.5 |
第2列和第4列 | 1219.4 | 1132.4 | 7.6 |
表6 数值仿真与试验平均速度对比
Table 6 Comparison of simulated and experimental average velocities of fragments
破片列号 | 数值模拟平均速 度/(m·s-1) | 试验平均速 度/(m·s-1) | 相对误 差/% |
---|---|---|---|
第1列和第5列 | 1 134.3 | 1 071.7 | 5.8 |
第3列 | 1241.2 | 1188.2 | 4.5 |
第2列和第4列 | 1219.4 | 1132.4 | 7.6 |
工况 编号 | α/rad | R/cm | n/cm | hs/cm | W/cm | H/cm | hf/cm | l/cm | 样本数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | π/2 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 3.6 | 18 | 0.5 | 1.6 | 27 |
2 | π/3 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 2.5 | 18 | 0.5 | 1.3 | 22 |
3 | 5π/18 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 2.1 | 18 | 0.5 | 0.7 | 51 |
4 | π/4 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 1.9 | 18 | 0.5 | 0.8 | 76 |
5 | π/6 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 1.3 | 18 | 0.5 | 0.9 | 34 |
6 | π/4 | 3.33 | 1.07 | 0.8 | 1.26 | 12 | 0.33 | 0.53 | 76 |
表7 仿真模型的几何参数
Table 7 Geometric parameters of simulation models
工况 编号 | α/rad | R/cm | n/cm | hs/cm | W/cm | H/cm | hf/cm | l/cm | 样本数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | π/2 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 3.6 | 18 | 0.5 | 1.6 | 27 |
2 | π/3 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 2.5 | 18 | 0.5 | 1.3 | 22 |
3 | 5π/18 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 2.1 | 18 | 0.5 | 0.7 | 51 |
4 | π/4 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 1.9 | 18 | 0.5 | 0.8 | 76 |
5 | π/6 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 1.3 | 18 | 0.5 | 0.9 | 34 |
6 | π/4 | 3.33 | 1.07 | 0.8 | 1.26 | 12 | 0.33 | 0.53 | 76 |
工况 编号 | β | X | Y | L |
---|---|---|---|---|
1 | 0.385 | 0.308~2.210 | 0~0.238 | 0.224 |
2 | 0.306 | 0.301~2.407 | 0~0.211 | 0.196 |
3 | 0.310 | 0.152~2.585 | 0.061~0.183 | 0.106 |
4 | 0.255 | 0.146~2.771 | 0.073~0.219 | 0.130 |
5 | 0.205 | 0.183~3.107 | 0.009 | 0.165 |
6 | 0.255 | 0.148~2.777 | 0.073~0.219 | 0.129 |
表8 数据集样本参数
Table 8 Parameters of the dataset’s samples
工况 编号 | β | X | Y | L |
---|---|---|---|---|
1 | 0.385 | 0.308~2.210 | 0~0.238 | 0.224 |
2 | 0.306 | 0.301~2.407 | 0~0.211 | 0.196 |
3 | 0.310 | 0.152~2.585 | 0.061~0.183 | 0.106 |
4 | 0.255 | 0.146~2.771 | 0.073~0.219 | 0.130 |
5 | 0.205 | 0.183~3.107 | 0.009 | 0.165 |
6 | 0.255 | 0.148~2.777 | 0.073~0.219 | 0.129 |
组别 | 学习率 | 隐藏层1 神经元数 | 隐藏层2 神经元数 | 隐藏层3 神经元数 | 隐藏层4 神经元数 | 最大误差/% | 平均相对 误差/% | R2 | MSE |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.0001 | 10 | 0 | 0 | 0 | 7.3 | 4.3 | 0.8443 | 3.3483×10-5 |
2 | 0.0001 | 10 | 10 | 0 | 0 | 6.1 | 3.3 | 0.9257 | 1.5979×10-5 |
3 | 0.0001 | 10 | 10 | 10 | 0 | 5.6 | 3.6 | 0.9396 | 1.2976×10-5 |
4 | 0.0001 | 10 | 10 | 10 | 10 | 5.5 | 3.2 | 0.9395 | 1.3018×10-5 |
5 | 0.0001 | 20 | 20 | 20 | 0 | 2.6 | 1.5 | 0.9796 | 4.3902×10-6 |
6 | 0.0001 | 30 | 30 | 30 | 0 | 2.4 | 1.0 | 0.9862 | 2.9525×10-6 |
7 | 0.0001 | 40 | 40 | 40 | 0 | 2.4 | 1.0 | 0.9863 | 2.9461×10-6 |
8 | 0.0001 | 13 | 40 | 13 | 0 | 2.7 | 1.6 | 0.9766 | 5.0076×10-6 |
9 | 0.0003 | 13 | 40 | 13 | 0 | 2.2 | 1.1 | 0.9870 | 2.7705×10-6 |
10 | 0.0005 | 13 | 40 | 13 | 0 | 2.4 | 1.1 | 0.9807 | 3.9612×10-6 |
表9 不同参数配置的神经网络模型的质量评估
Table 9 The quality assessment of neural network models with various configurations
组别 | 学习率 | 隐藏层1 神经元数 | 隐藏层2 神经元数 | 隐藏层3 神经元数 | 隐藏层4 神经元数 | 最大误差/% | 平均相对 误差/% | R2 | MSE |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.0001 | 10 | 0 | 0 | 0 | 7.3 | 4.3 | 0.8443 | 3.3483×10-5 |
2 | 0.0001 | 10 | 10 | 0 | 0 | 6.1 | 3.3 | 0.9257 | 1.5979×10-5 |
3 | 0.0001 | 10 | 10 | 10 | 0 | 5.6 | 3.6 | 0.9396 | 1.2976×10-5 |
4 | 0.0001 | 10 | 10 | 10 | 10 | 5.5 | 3.2 | 0.9395 | 1.3018×10-5 |
5 | 0.0001 | 20 | 20 | 20 | 0 | 2.6 | 1.5 | 0.9796 | 4.3902×10-6 |
6 | 0.0001 | 30 | 30 | 30 | 0 | 2.4 | 1.0 | 0.9862 | 2.9525×10-6 |
7 | 0.0001 | 40 | 40 | 40 | 0 | 2.4 | 1.0 | 0.9863 | 2.9461×10-6 |
8 | 0.0001 | 13 | 40 | 13 | 0 | 2.7 | 1.6 | 0.9766 | 5.0076×10-6 |
9 | 0.0003 | 13 | 40 | 13 | 0 | 2.2 | 1.1 | 0.9870 | 2.7705×10-6 |
10 | 0.0005 | 13 | 40 | 13 | 0 | 2.4 | 1.1 | 0.9807 | 3.9612×10-6 |
工况 编号 | α/rad | R/cm | n/cm | hs/cm | W/cm | H/cm | hf/cm | l/cm |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 13π/45 | 5.0 | 1.1 | 1.0 | 2.2 | 18 | 0.5 | 2.0 |
2 | π/2 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 3.5 | 18 | 0.5 | 1.0 |
3 | π/2 | 4 | 1.6 | 1.0 | 2.9 | 18 | 0.6 | 1.4 |
4 | 2π/3 | 6 | 3.0 | 1.0 | 5.2 | 18 | 0.7 | 2.7 |
5 | 5π/6 | 6 | 4.0 | 1.0 | 5.8 | 18 | 0.5 | 2.0 |
6 | π | 4 | 4.0 | 1.0 | 4.0 | 18 | 0.5 | 1.4 |
表10 测试集的几何参数
Table10 Geometric parameters of test set
工况 编号 | α/rad | R/cm | n/cm | hs/cm | W/cm | H/cm | hf/cm | l/cm |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 13π/45 | 5.0 | 1.1 | 1.0 | 2.2 | 18 | 0.5 | 2.0 |
2 | π/2 | 5.0 | 1.6 | 1.2 | 3.5 | 18 | 0.5 | 1.0 |
3 | π/2 | 4 | 1.6 | 1.0 | 2.9 | 18 | 0.6 | 1.4 |
4 | 2π/3 | 6 | 3.0 | 1.0 | 5.2 | 18 | 0.7 | 2.7 |
5 | 5π/6 | 6 | 4.0 | 1.0 | 5.8 | 18 | 0.5 | 2.0 |
6 | π | 4 | 4.0 | 1.0 | 4.0 | 18 | 0.5 | 1.4 |
工况 编号 | β | X | Y | L |
---|---|---|---|---|
1 | 0.211 | 0.260~2.575 | 0 | 0.329 |
2 | 0.410 | 0.217~2.372 | 0~0.308 | 0.139 |
3 | 0.359 | 0.307~2.197 | 0~0.209 | 0.196 |
4 | 0.329 | 0.210~1.807 | 0~0.319 | 0.303 |
5 | 0.712 | 0.165~1.637 | 0~0.841 | 0.201 |
6 | 0.501 | 0.207~2.055 | 0~0.528 | 0.176 |
表11 测试集样本参数
Table 11 Test set sample parameters
工况 编号 | β | X | Y | L |
---|---|---|---|---|
1 | 0.211 | 0.260~2.575 | 0 | 0.329 |
2 | 0.410 | 0.217~2.372 | 0~0.308 | 0.139 |
3 | 0.359 | 0.307~2.197 | 0~0.209 | 0.196 |
4 | 0.329 | 0.210~1.807 | 0~0.319 | 0.303 |
5 | 0.712 | 0.165~1.637 | 0~0.841 | 0.201 |
6 | 0.501 | 0.207~2.055 | 0~0.528 | 0.176 |
α/rad | R/cm | n/cm | hs/cm | W/cm | H/cm | hf/cm | l/cm |
---|---|---|---|---|---|---|---|
π/2 | 5 | 1.1 | 1.2 | 3.6 | 18 | 0.5 | 1.3 |
表12 文献[27]的试验样本的几何参数
Table 12 Geometric parameters of experimental samples in Ref.[27]
α/rad | R/cm | n/cm | hs/cm | W/cm | H/cm | hf/cm | l/cm |
---|---|---|---|---|---|---|---|
π/2 | 5 | 1.1 | 1.2 | 3.6 | 18 | 0.5 | 1.3 |
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
doi: 10.1016/j.dt.2019.11.006 |
[4] |
赵宇哲, 李健, 马天宝. 展开式定向战斗部展开过程实验研究[J]. 高压物理学报, 2016, 30(2):116-122.
|
|
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
高月光, 冯顺山, 刘云辉, 等. 不同端盖厚度的圆柱形装药壳体破片初速分布[J]. 兵工学报, 2022, 43(7):1527-1536.
|
doi: 10.12382/bgxb.2021.0443 |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
肖师云, 冯成良, 陈文, 等. 基于BP神经网络的破片聚焦曲线优化[J]. 兵工自动化, 2022, 41(1):43-47.
|
|
|
[21] |
辛大钧, 薛琨. 基于人工神经网络的非球形破片阻力系数预测模型[J]. 兵工学报, 2022, 43(5):1083-1092.
doi: 10.12382/bgxb.2021.0121 |
doi: 10.12382/bgxb.2021.0121 |
|
[22] |
杨芮, 王亚辉, 刘宇峰, 等. 预控破片战斗部周向刻槽参数正交优化分析[J]. 弹箭与制导学报, 2020, 40(6):54-57,61.
|
|
|
[23] |
彭正午, 张庆, 王晓鸣, 等. 刻槽参数对预控破片形成情况的影响研究[J]. 火工品, 2013(1):17-20.
|
|
|
[24] |
李兴隆, 陈科全, 路中华, 等. 装填系数对破甲杀伤复合战斗部威力影响的数值模拟[J]. 含能材料, 2019, 27(6):535-540.
|
|
|
[25] |
doi: 10.1016/j.dt.2020.06.024 |
[26] |
|
[27] |
段妍. 爆炸加载刻槽平板结构动态响应研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2018.
|
|
[1] | 徐永康, 薛琨. 基于人工神经网络算法的多相云雾爆轰毁伤效应预测模型[J]. 兵工学报, 2024, 45(6): 1889-1905. |
[2] | 王佳, 尹建平, 李旭东, 伊建亚, 王志军. 基于量纲分析法的钢筋混凝土柱体缩比模型的构建[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 189-195. |
[3] | 高月光, 冯顺山, 刘云辉, 黄岐. 不同端盖厚度的圆柱形装药壳体破片初速分布[J]. 兵工学报, 2022, 43(7): 1527-1536. |
[4] | 辛大钧, 薛琨. 基于人工神经网络的非球形破片阻力系数预测模型[J]. 兵工学报, 2022, 43(5): 1083-1092. |
[5] | 黄迎春, 牟鑫明. 指挥信息系统应用层攻击效能模糊综合评估方法[J]. 兵工学报, 2020, 41(5): 932-940. |
[6] | 钟巍, 田宙, 寿列枫, 李伟昌, 何增, 浦锡锋, 王仲琦. 基于量纲分析的爆炸冲击波作用后钢化玻璃碎片质量分布规律研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(7): 1323-1332. |
[7] | 江伟华,童峰,王彬,刘世刚. 采用主分量分析的非合作水声通信信号调制识别[J]. 兵工学报, 2016, 37(9): 1670-1676. |
[8] | 卢言利, 穆景阳. 基于遗传BP神经网络的隐身涂层老化性能评价模型[J]. 兵工学报, 2015, 36(8): 1580-1586. |
[9] | 王新颖, 王树山, 徐豫新, 胡赛. 爆轰驱动金属圆筒的能量转换与破片初速模型[J]. 兵工学报, 2015, 36(8): 1417-1422. |
[10] | 荣吉利, 何轩, 项大林, 步相东. 定向战斗部水下爆炸相似性研究[J]. 兵工学报, 2014, 35(9): 1329-1334. |
[11] | 王义强, 闫国琛, 袁修华, 谷岩, 杨林霖. 圆环面铣刀高速铣削S50C模具钢的工艺参数研究[J]. 兵工学报, 2014, 35(7): 1091-1096. |
[12] | 张晓伟, 汪庆桃, 张庆明, 施鹏, 周旭. 爆炸冲击波作用下混凝土板的载荷等效方法[J]. 兵工学报, 2013, 34(3): 263-268. |
[13] | 罗宏浩, 廖自力. 基于神经网络的内置式永磁电动机弱磁区最佳电流相位曲线拟合[J]. 兵工学报, 2012, 33(7): 870-874. |
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