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收稿日期:2024-06-24
									
				
									
				
									
				
				
											上线日期:2025-05-07
									
			通讯作者:
					基金资助:
        
               		GONG  Shilong1, DANG  Jianjun1, LI  Shaoxing2, HUANG  Chuang1,*( )
)
			  
			
			
			
                
        
    
Received:2024-06-24
									
				
									
				
									
				
				
											Online:2025-05-07
									
			摘要:
有效射程是超空泡射弹最重要的性能指标之一,受到外形和衡重参数的耦合影响。为了增加超空泡射弹的有效射程,建立计算超空泡射弹有效射程的数值模型,根据正交试验设计原则设计四因素五水平工况组合,通过仿真计算获得外形及衡重参数影响下的超空泡射弹有效射程数据集,结合反向传播 (Back Propagation,BP)神经网络方法和遗传算法,建立超空泡射弹设计参数优化方法,获得全域最大有效射程及其对应的外形和衡重参数设计结果。研究结果表明:超空泡射弹的水下弹道具有稳定的尾拍特性,通过极差分析,质量对有效射程的影响最大;在没有精确数学模型的情况下,运用BP神经网络,基于有限个数据点训练出的有效射程预测模型精度高,平均误差为0.735%;通过遗传算法获得了四因素耦合影响下的全域最优射程,较数据集中的最好结果提高了5.01%,较正交优化结果提升了1.95%。所得研究结果可为超空泡射弹总体设计工作提供参考。
中图分类号:
巩世龙, 党建军, 李少星, 黄闯. 基于BP神经网络的超空泡射弹优化设计方法[J]. 兵工学报, 2025, 46(5): 240496-.
GONG Shilong, DANG Jianjun, LI Shaoxing, HUANG Chuang. Optimization Design Method of the Supercavitating Projectile Based on BP Neural Network[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(5): 240496-.
| 水平 | Dn/mm | Lt/mm | G/kg | Jz/(kg·mm2) | 
|---|---|---|---|---|
| 1 | 5.00 | 30 | 0.753 | 3364.1 | 
| 2 | 5.25 | 27 | 0.828 | 3700.5 | 
| 3 | 5.50 | 33 | 0.903 | 4036.9 | 
| 4 | 5.75 | 36 | 0.668 | 3027.7 | 
| 5 | 6.00 | 39 | 0.593 | 2691.3 | 
表1 射弹参数及其水平
Table 1 Projectile parameters and level
| 水平 | Dn/mm | Lt/mm | G/kg | Jz/(kg·mm2) | 
|---|---|---|---|---|
| 1 | 5.00 | 30 | 0.753 | 3364.1 | 
| 2 | 5.25 | 27 | 0.828 | 3700.5 | 
| 3 | 5.50 | 33 | 0.903 | 4036.9 | 
| 4 | 5.75 | 36 | 0.668 | 3027.7 | 
| 5 | 6.00 | 39 | 0.593 | 2691.3 | 
| 编号 | 序列 | 初始速度 v0/(m·s-1) | 剩余速度 vr/(m·s-1) | 有效射程 Lr/m | 
|---|---|---|---|---|
| 1 | A1B1C1D1 | 320 | 200 | 49.73 | 
| 2 | A1B2C2D2 | 305 | 191 | 51.27 | 
| 3 | A1B3C3D3 | 292 | 182 | 53.30 | 
| 4 | A1B4C4D4 | 340 | 212 | 47.23 | 
| 5 | A1B5C5D5 | 360 | 225 | 44.19 | 
| 6 | A2B1C2D3 | 305 | 191 | 52.99 | 
| 7 | A2B2C3D4 | 292 | 182 | 51.67 | 
| 8 | A2B3C4D5 | 340 | 212 | 45.49 | 
| 9 | A2B4C5D1 | 360 | 225 | 44.88 | 
| 10 | A2B5C1D2 | 320 | 200 | 53.75 | 
| 11 | A3B1C3D5 | 292 | 182 | 54.26 | 
| 12 | A3B2C4D1 | 340 | 212 | 45.38 | 
| 13 | A3B3C5D2 | 360 | 225 | 44.35 | 
| 14 | A3B4C1D3 | 320 | 200 | 48.26 | 
| 15 | A3B5C2D4 | 305 | 191 | 51.64 | 
| 16 | A4B1C4D2 | 340 | 212 | 44.86 | 
| 17 | A4B2C5D3 | 360 | 225 | 40.96 | 
| 18 | A4B3C1D4 | 320 | 200 | 47.05 | 
| 19 | A4B4C2D5 | 305 | 191 | 49.68 | 
| 20 | A4B5C3D1 | 292 | 182 | 53.62 | 
| 21 | A5B1C5D4 | 360 | 225 | 37.49 | 
| 22 | A5B2C1D5 | 320 | 200 | 43.25 | 
| 23 | A5B3C2D1 | 305 | 191 | 49.59 | 
| 24 | A5B4C3D2 | 292 | 182 | 52.33 | 
| 25 | A5B5C4D3 | 340 | 212 | 45.38 | 
表2 正交试验结果
Table 2 Orthogonal test results
| 编号 | 序列 | 初始速度 v0/(m·s-1) | 剩余速度 vr/(m·s-1) | 有效射程 Lr/m | 
|---|---|---|---|---|
| 1 | A1B1C1D1 | 320 | 200 | 49.73 | 
| 2 | A1B2C2D2 | 305 | 191 | 51.27 | 
| 3 | A1B3C3D3 | 292 | 182 | 53.30 | 
| 4 | A1B4C4D4 | 340 | 212 | 47.23 | 
| 5 | A1B5C5D5 | 360 | 225 | 44.19 | 
| 6 | A2B1C2D3 | 305 | 191 | 52.99 | 
| 7 | A2B2C3D4 | 292 | 182 | 51.67 | 
| 8 | A2B3C4D5 | 340 | 212 | 45.49 | 
| 9 | A2B4C5D1 | 360 | 225 | 44.88 | 
| 10 | A2B5C1D2 | 320 | 200 | 53.75 | 
| 11 | A3B1C3D5 | 292 | 182 | 54.26 | 
| 12 | A3B2C4D1 | 340 | 212 | 45.38 | 
| 13 | A3B3C5D2 | 360 | 225 | 44.35 | 
| 14 | A3B4C1D3 | 320 | 200 | 48.26 | 
| 15 | A3B5C2D4 | 305 | 191 | 51.64 | 
| 16 | A4B1C4D2 | 340 | 212 | 44.86 | 
| 17 | A4B2C5D3 | 360 | 225 | 40.96 | 
| 18 | A4B3C1D4 | 320 | 200 | 47.05 | 
| 19 | A4B4C2D5 | 305 | 191 | 49.68 | 
| 20 | A4B5C3D1 | 292 | 182 | 53.62 | 
| 21 | A5B1C5D4 | 360 | 225 | 37.49 | 
| 22 | A5B2C1D5 | 320 | 200 | 43.25 | 
| 23 | A5B3C2D1 | 305 | 191 | 49.59 | 
| 24 | A5B4C3D2 | 292 | 182 | 52.33 | 
| 25 | A5B5C4D3 | 340 | 212 | 45.38 | 
| 影响参数 | Ki1 | Ki2 | Ki3 | Ki4 | Ki5 | Ri | 
|---|---|---|---|---|---|---|
| Dn | 49.14 | 49.56 | 49.50 | 47.64 | 46.01 | 3.55 | 
| Lt | 46.47 | 46.31 | 47.96 | 50.80 | 50.32 | 4.49 | 
| G | 48.21 | 51.23 | 53.16 | 45.67 | 42.37 | 10.79 | 
| Jz | 49.00 | 49.71 | 50.10 | 47.02 | 45.97 | 4.13 | 
表3 正交试验结果分析
Table 3 Analysis of orthogonal test results
| 影响参数 | Ki1 | Ki2 | Ki3 | Ki4 | Ki5 | Ri | 
|---|---|---|---|---|---|---|
| Dn | 49.14 | 49.56 | 49.50 | 47.64 | 46.01 | 3.55 | 
| Lt | 46.47 | 46.31 | 47.96 | 50.80 | 50.32 | 4.49 | 
| G | 48.21 | 51.23 | 53.16 | 45.67 | 42.37 | 10.79 | 
| Jz | 49.00 | 49.71 | 50.10 | 47.02 | 45.97 | 4.13 | 
| 隐含层节点数 | 平均错误率/% | 隐含层节点数 | 平均错误率/% | 
|---|---|---|---|
| 2 | 3.554 | 8 | 0.761 | 
| 3 | 1.916 | 9 | 0.795 | 
| 4 | 1.275 | 10 | 0.823 | 
| 5 | 0.872 | 11 | 0.816 | 
| 6 | 0.745 | 12 | 0.779 | 
| 7 | 0.758 | 13 | 0.805 | 
表4 不同隐含层节点数对应的平均错误率
Table 4 The average error rate corresponding to the number of nodes in different hidden layers
| 隐含层节点数 | 平均错误率/% | 隐含层节点数 | 平均错误率/% | 
|---|---|---|---|
| 2 | 3.554 | 8 | 0.761 | 
| 3 | 1.916 | 9 | 0.795 | 
| 4 | 1.275 | 10 | 0.823 | 
| 5 | 0.872 | 11 | 0.816 | 
| 6 | 0.745 | 12 | 0.779 | 
| 7 | 0.758 | 13 | 0.805 | 
| 结果及误差 | 正交优化射弹 | 遗传优化射弹 | 
|---|---|---|
| 数值计算结果/m | 55.89 | 56.98 | 
| BP神经网络结果/m | 55.63 | 57.21 | 
| 误差/% | 0.48 | 0.40 | 
表5 预测模型对比验证
Table 5 Comparative validation of predictive models
| 结果及误差 | 正交优化射弹 | 遗传优化射弹 | 
|---|---|---|
| 数值计算结果/m | 55.89 | 56.98 | 
| BP神经网络结果/m | 55.63 | 57.21 | 
| 误差/% | 0.48 | 0.40 | 
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