一种基于虚幻引擎的弹丸侵彻混凝土靶仿真方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开的一种基于虚幻引擎的弹丸侵彻混凝土靶仿真方法及其系统，属于侵彻动力学领域。本发明专利技术利用虚幻引擎建立可交互的弹丸侵彻混凝土靶板的虚拟仿真平台，依据不同弹丸的初始射速、弹丸质量等参数的变化，通过模拟在不同弹丸侵彻参数以及靶板强度下的毁伤效果，建立对靶板的侵彻毁伤评估系统，利用虚幻引擎搭载的实时渲染、粒子系统、BluePrint线性模块化编程功能以及PhysX物理引擎实现弹丸对混凝土靶的可视化仿真。本发明专利技术具有计算机资源消耗小、交互性强、场景资源丰富、渲染效果好、灵活性高等优点。本发明专利技术通过优化弹丸结构提高弹丸对混凝土靶的侵彻毁伤能力；通过侵彻混凝土靶试验布局改善试验效果，减少试验和毁伤评估成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚幻引擎的弹丸侵彻混凝土靶仿真方法及其系统


[0001]本专利技术涉及一种基于虚幻引擎的弹丸侵彻混凝土靶仿真方法及其系统，属于侵彻动力学领域。

技术介绍

[0002]弹丸对混凝土的侵彻是侵彻动力学领域一个重要的研究课题，为了能攻击高价值的军事防御工事，在这些弹药系统的研发过程中，对侵彻过程弹丸侵彻的速度、装药量等对侵彻目标深度的预测是必须要完成的研究内容。
[0003]可视化技术是利用计算机图形学和图像处理技术，对工程空间环境和设计方案进行可视化仿真，将方案形象地展示出来，能够整理出设计思路或准确、快速地将设计意图传达给第三方。
[0004]常见的弹丸侵彻混凝土仿真一般为二维平面数值模拟仿真，但是二维平面模型不足以客观的展示出侵彻实况，
[0005]弹丸侵彻混凝土可视化仿真是指通过计算机对弹丸侵彻混凝土进行模拟的技术，仿真系统中内置了侵彻计算公式能够提供逼近真实的侵彻数据，这些数据可应用于预测弹丸真实的侵彻状况，可以在保持数据可靠性的同时，大大降低研究成本、缩短了研发周期。
[0006]现有的弹丸侵彻试验大部分是利用真实试验和数值模拟进行弹丸的毁伤评估，前者侵彻需要进行原型试验，需要耗费大量的人力物力财力，而后者是以数学和力学为理论基础，以计算机求解为辅助手段来模拟，而在方案设计及靶场射击检验中，有可视化仿真的需求。在适量的实验和数值模拟的理论数据支撑下，进行可视化仿真是对弹丸侵彻混凝土问题研究的重要补充。

技术实现思路

[0007]本专利技术主要目的是提供一种基于虚幻引擎的弹丸侵彻混凝土靶仿真方法及其系统，利用虚幻引擎建立可交互的弹丸侵彻混凝土靶板的虚拟仿真平台，依据不同弹丸的初始射速、弹丸质量等参数的变化，通过模拟在不同弹丸侵彻参数以及靶板强度下的毁伤效果，建立对靶板的侵彻毁伤评估系统，利用虚幻引擎搭载的实时渲染、粒子系统、BluePrint线性模块化编程功能以及PhysX物理引擎实现弹丸对混凝土靶的可视化仿真。本专利技术具有计算机资源消耗小、交互性强、场景资源丰富、渲染效果好、灵活性高等优点，适用于形象直观地观察弹丸侵彻混凝土靶的毁伤过程。
[0008]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0009]本专利技术公开的一种基于虚幻引擎的弹丸侵彻混凝土靶仿真方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1:基于混凝土侵彻试验数据，建立弹丸侵彻混凝土靶三维基础模型，所述弹丸侵彻混凝土靶三维基础模型包括弹丸三维基础模型、发射平台三维基础模型、混凝土靶板三维基础模型和试验场景三维基础模型。所述弹丸侵彻混凝土靶三维基础模型包括确定模型的几何尺寸大小，材质属性以及模型导出格式。根据弹丸侵彻混凝土靶应用工况，基于
所述弹丸三维基础模型、发射平台三维基础模型、混凝土靶板三维基础模型和试验场景三维基础模型，利用虚幻引擎进行场景搭建。在三维图像工具对混凝土靶三维基础模型进行破碎预处理，得到预处理后的混凝土靶破碎三维基础模型。将所述混凝土靶三维基础模型、混凝土靶破碎三维基础模型按照虚幻引擎导入格式要求导入虚幻引擎，通过虚幻引擎对混凝土靶三维基础模型、混凝土靶破碎三维基础模型进行创建、编辑、渲染烘焙，构建用于弹丸侵彻混凝土靶毁伤过程的三维场景表征展示。
[0011]所述编辑包括编辑贴图和材质，添加模拟物理。所述渲染烘焙包括在弹丸侵彻混凝土靶毁伤整体环境中添加灯光、效果照明特效，并进行渲染烘焙。
[0012]作为优选，所述虚幻引擎选用UE4引擎，所述导入格式选用FBX格式。所述三维图像工具选用3dMAX、Houdini或Blender。
[0013]步骤2：在虚拟引擎输入设置中，设置键盘上、下、左、右键，绑定至发射平台三维基础模型中的Up、Down、Right、Left方向控制函数，给鼠标绑定发射平台三维基础模型控制函数，实现发射平台在弹丸侵彻混凝土靶场景的移动漫游。
[0014]步骤3：利用虚幻引擎搭载的UMG界面设计器设计交互界面布局，并将交互界面加入视口，所述交互界面包括操作界面、目标靶信息界面和弹丸侵彻混凝土靶场参数设置界面。
[0015]所述目标靶信息界面包括靶板状态、侵彻深度和剩余速度。
[0016]所述弹丸侵彻混凝土靶场参数包括弹体质量、口径和初始射速。
[0017]作为优选，将交互界面加入视口实现方法为：通过Level BluePrint添加Event Begin事件，将其连接到UI控件，并把创建的UI添加到视口。
[0018]步骤4：根据弹丸侵彻混凝土靶试验数据及仿真结果，根据混凝土动态空腔膨胀机制，采用简化的HJC混凝土本构模型和带Tresca限制的Mohr
‑
Coulomb的屈服准则，推导得到混凝土膨胀压力与膨胀速度的拟合函数关系，基于所述混凝土膨胀压力与膨胀速度的拟合函数关系构建混凝土空腔膨胀模型。根据弹丸侵彻混凝土靶应用工况，通过所述混凝土空腔膨胀模型分析弹体在混凝土介质中的运动受力情况，计算弹体头部所受阻力，实现对相应应用工况的弹丸侵彻混凝土靶的仿真预测，得到弹丸侵彻混凝土靶的仿真预测结果数据，所述仿真预测结果数据包括侵彻深度、侵彻混凝土靶板剩余速度、混凝土靶破碎程度。
[0019]步骤41：根据弹丸侵彻混凝土靶试验数据及仿真结果，以及混凝土动态空腔膨胀理论，采用如公式(1)所示的简化的HJC混凝土本构模型和公式(2)所示的带Tresca限制的Mohr
‑
Coulomb的屈服准则，推导得到混凝土膨胀压力与膨胀速度的拟合函数关系如公式(3)所示。
[0020][0021][0022][0023]其中p是静水压；K
e
、K
c
、K
l
分别为线弹性区、孔隙压实区和密实区的体积模量；p
c
为初始孔隙压实应力；p
l
为初始密实压力；p
m
为峰值剪切强度对应的静水压力；μ
c
为孔隙初始压实的体积应变；μ
l
为初始密实的体积应变。σ
r
和σ
θ
分别为径向和环向的柯西应力分量，取压力为正，τ0＝[(3
‑
λ)/3]为混凝土材料的粘聚强度，λ为带Tresca限制的Mohr
‑
Coulomb屈服准则的材料参数；τ
m
为静水压力足够大时的最大剪切强度，当静水压力超过临界值，混凝土的材质的剪切强度恒定为τ
m
；f
c
为混凝土材料的粘聚强度；A1、B1、C1是根据数值拟合得到的参数；ρ0和ρ分别是介质变形前后的密度；
[0024]基于所述混凝土膨胀压力与膨胀速度的拟合函数关系构建混凝土空腔膨胀模型，分析弹体在混凝土介质中的运动受力情况，计算弹体头部所受阻力如公式(4)(5)所示，获得侵彻深度的界面信息。
[0025][0026]其中d为弹体直径，l表示瞬时侵彻深度，V表示瞬时侵彻速度，ρ为混凝土靶板密度，c本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚幻引擎的弹丸侵彻混凝土靶仿真方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1:基于混凝土侵彻试验数据，建立弹丸侵彻混凝土靶三维基础模型，所述弹丸侵彻混凝土靶三维基础模型包括弹丸三维基础模型、发射平台三维基础模型、混凝土靶板三维基础模型和试验场景三维基础模型；所述弹丸侵彻混凝土靶三维基础模型包括确定模型的几何尺寸大小，材质属性以及模型导出格式；根据弹丸侵彻混凝土靶应用工况，基于所述弹丸三维基础模型、发射平台三维基础模型、混凝土靶板三维基础模型和试验场景三维基础模型，利用虚幻引擎进行场景搭建；在三维图像工具对混凝土靶三维基础模型进行破碎预处理，得到预处理后的混凝土靶破碎三维基础模型；将所述混凝土靶三维基础模型、混凝土靶破碎三维基础模型按照虚幻引擎导入格式要求导入虚幻引擎，通过虚幻引擎对混凝土靶三维基础模型、混凝土靶破碎三维基础模型进行创建、编辑、渲染烘焙，构建用于弹丸侵彻混凝土靶毁伤过程的三维场景表征展示；所述编辑包括编辑贴图和材质，添加模拟物理；所述渲染烘焙包括在弹丸侵彻混凝土靶毁伤整体环境中添加灯光、效果照明特效，并进行渲染烘焙；步骤2：在虚拟引擎输入设置中，设置键盘上、下、左、右键，绑定至发射平台三维基础模型中的Up、Down、Right、Left方向控制函数，给鼠标绑定发射平台三维基础模型控制函数，实现发射平台在弹丸侵彻混凝土靶场景的移动漫游；步骤3：利用虚幻引擎搭载的UMG界面设计器设计交互界面布局，并将交互界面加入视口，所述交互界面包括操作界面、目标靶信息界面和弹丸侵彻混凝土靶场参数设置界面；所述目标靶信息界面包括靶板状态、侵彻深度和剩余速度；所述弹丸侵彻混凝土靶场参数包括弹体质量、口径和初始射速；步骤4：根据弹丸侵彻混凝土靶试验数据及仿真结果，根据混凝土动态空腔膨胀机制，采用简化的HJC混凝土本构模型和带Tresca限制的Mohr
‑
Coulomb的屈服准则，推导得到混凝土膨胀压力与膨胀速度的拟合函数关系，基于所述混凝土膨胀压力与膨胀速度的拟合函数关系构建混凝土空腔膨胀模型；根据弹丸侵彻混凝土靶应用工况，通过所述混凝土空腔膨胀模型分析弹体在混凝土介质中的运动受力情况，计算弹体头部所受阻力，实现对相应应用工况的弹丸侵彻混凝土靶的仿真预测，得到弹丸侵彻混凝土靶的仿真预测结果数据，所述仿真预测结果数据包括侵彻深度、侵彻混凝土靶板剩余速度、混凝土靶破碎程度；步骤5：根据步骤4得到的弹丸侵彻混凝土靶仿真预测结果数据，根据步骤2设计的交互界面，通过BluePrint线性模块化编程功能在LevelBluePrint中调用UI控件，设置目标靶信息界面和弹丸侵彻混凝土靶场参数，调用弹丸三维基础模型、发射平台三维基础模型、混凝土靶三维基础模型、混凝土靶破碎三维基础模型，通过虚幻引擎实现弹丸侵彻混凝土靶的三维场景展示，并能够提高用户对弹丸侵彻混凝土靶毁伤过程的交互性和沉浸感。2.如权利要求1所述的一种基于虚幻引擎的弹丸侵彻混凝土靶仿真方法，其特征在于：还包括步骤6：根据步骤5得到的对弹丸侵彻混凝土靶毁伤过程的三维场景展示及交互信息，拓展弹丸侵彻混凝土靶毁伤过程的可视化应用维度，支撑优化弹丸结构和弹丸侵彻混凝土靶试验布局；通过优化弹丸结构提高弹丸对混凝土靶的侵彻毁伤能力；通过侵彻混凝土靶试验布局改善试验效果，减少试验和毁伤评估成本。3.如权利要求1或2所述的一种基于虚幻引擎的弹丸侵彻混凝土靶仿真方法，其特征在于：步骤四实现方法为，
步骤41：根据弹丸侵彻混凝土靶试验数据及仿真结果，以及混凝土动态空腔膨胀理论，采用如公式(1)所示的简化的HJC混凝土本构模型和公式(2)所示的带Tresca限制的Mohr
‑
Coulomb的屈服准则，推导得到混凝土膨胀压力与膨胀速度的拟合函数关系如公式(3)所示；示；示；其中p是静水压；K
e
、K
c
、K
l
分别为线弹性区、孔隙压实区和密实区的体积模量；p
c
为初始孔隙压实应力；p
l
为初始密实压力；p
m
为峰值剪切强度对应的静水压力；μ
c
为孔隙初始压实的体积应变；μ
l
为初始密实的体积应变；σ
r
和σ
θ
分别为径向和环向的柯西应力分量，取压力为正，τ0＝[(3
‑
λ)/3]为混凝土材料的粘聚强度，λ为带Tresca限制的Mohr
‑
Coulomb屈服准则的材料参数；τ
m
为静水压力足够大时的最大剪切强度，当静水压力超过临界值，混凝土的材质的剪切强度恒定为τ
m
；f
c
为混凝土材料的粘聚强度；A1、B1、C1是根据数值拟合得到的参数；ρ0和ρ分别是介质变形前后的密度；基于所述混凝土膨胀压力与膨胀速度的拟合函数关系构建混凝土空腔膨胀模型，分析弹体在混凝土介质中的运动受力情况，计算弹体头部所受阻力如公式(4)(5)所示，获得侵彻深度的界面信息；F＝cl 0≤l≤kd
ꢀꢀ
(4)其中d为弹体直径，l表示瞬时侵彻深度，V表示瞬时侵彻速度，ρ为混凝土靶板密度，c为常数，f
c
为标准件的抗压强度；根据牛顿第二定律，求解弹丸开坑阶段和侵彻阶段的侵彻公式如：求解弹丸开坑阶段和侵彻阶段的侵彻公式如：其中D1＝[4A1C1T
*
‑
(B1T
*
)2]
1/2
,T
*
为弹头的形状函数；根据牛顿第二定律，求解弹丸开坑阶段和侵彻阶段的侵彻公式：
对公式(8)(9)进行积分求解可得关于l的解析式，在初始条件l(t＝0)＝0和V(t＝0)＝V0下，得到侵彻深度公式；得到侵彻深度公式；其中d为弹体直径，l表示瞬时侵彻深度，V表示瞬时侵彻速度，ρ为混凝土靶板密度，c为常数，f

【专利技术属性】
技术研发人员：许香照，宁建国，任会兰，马天宝，苏永超，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：