球形靶试验虚拟仿真软件设计与开发

田佳鑫 赵洪志 张润 陈景 左君

摘  要：靶场试验是评定弹丸性能的重要手段，但由于试验过程危险性高、试验成本高，导致兵器类专业试验教学中靶场试验不易开展。该文以球形靶试验为例，提出一种基于虚拟仿真技术实现球形靶试验过程的方法，以国军标中球形靶试验方法为依据，梳理球形靶试验理论计算模型，使用Unity3D、MySQL、3ds MAX和VS2019等软件，开发球形靶试验虚拟仿真软件，并以某杀爆弹为例，进行演示和验证。结果表明，所提方法能够模拟再现球形靶试验的过程，场景逼真，为靶场试验或专业教学提供参考。

关键词：球形靶试验；虚拟仿真；Unity3D；弹丸；软件设计

中图分类号：TP391.9      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）18-0041-04

Abstract： Shooting range experiment is an important means to evaluate the performance of projectile， but it is difficult to carry out shooting range experiment in the experimental teaching of weapon specialty because of its high risk and high cost. Taking the spherical target experiment as an example， this paper puts forward a method to realize the process of spherical target experiment based on virtual simulation technology， and combs the theoretical calculation model of spherical target experiment based on the method of spherical target experiment in national military standard. The virtual simulation software of spherical target experiment is developed by using Unity3D， MySQL， 3ds MAX and VS2019， and a bomb is taken as an example to demonstrate and verify. The results show that the proposed method can simulate and reproduce the process of spherical target experiment， and the scene is lifelike， which can provide reference for shooting range experiment or professional teaching.

Keywords： spherical target experiment; virtual simulation; Unity3D; projectile; software design

靶场试验危险性较高，兵工类院校大多已停止开展此类试验的教学，导致学生不能直观感受弹丸爆炸、破片飞散的过程，也无法练习对破片速度进行测试。随着现代军事及科学技术的快速发展，仿真技术已经十分广泛地应用于各行各业中，尤其是试验研究方面可以通过仿真来达到相应的目的[1-3]。对于靶场试验过程仿真，国内外研究者在各个方面都有具体的研究，比如破片飞散试验、靶板测试试验、软件仿真试验等[4-5]。崔瀚等[6]应用Unity3D虚拟现实开发引擎，建立一套火炮外弹道虚拟视景仿真系统，能在视觉上更好地表现火炮发射和弹丸的飞行状态，为武器弹药研发者提供参考。刘闯等[7]在基于Unity3D平台上以扇形靶试验为例开发出杀爆弹静爆试验系统，在教学过程中具有重大应用意义。黄巍等[8]基于虚拟现实技术，在Unity平台设计并实现了多管火箭炮虚拟拆装系统，实现了火箭炮的结构展示、装配模拟、射击模拟，降低了试验教学成本，同时提高了安全性。

本文依据国军标GJB 3197—98《炮弹试验方法》中的球形靶试验要求，梳理球形靶试验理论计算模型，使用Unity3D视景软件、MySQL数据库软件、3ds MAX建模软件和VS2019编程软件，开发了球形靶试验虚拟仿真软件，操作者可通过虚拟仿真软件，体验球形靶试验过程。

1  软件设计

球形靶试验虚拟仿真软件包括4个功能模块，分别为用户管理模块、理论知识模块、试验训练模块和试验考核模块，如图1所示。用户管理模块实现了用户管理和试验成绩管理；理论知识模块实现了试验目的、内容、步骤及相关知识的介绍；试验训练模块实现了按照试验操作向导完成试验操作；试验考核模块实现了用户单独完成试验操作，动态显示弹丸爆炸、破片飞散过程及破片着靶数，并最终给出操作者的试验成绩。

2  计算模型

为了使仿真过程更具有参考价值和指导意义，在Unity3D中弹丸爆炸后产生的破片数量、破片质量、破片初速和破片飞散方向角等威力表征参数都采用常用的理论计算模型获得，具体计算模型如下。

2.1  破片数量计算模型

式中：N为破片数量；M为炸药与弹体金属的质量和，kg；α为炸药装填系数，由炸药质量和弹体金属的质量比值得出。

2.2  破片质量分布计算模型

式中：N（m）为质量大于等于m的破片数量；M为弹丸壳体质量，kg；λ为经验常数，对于薄壁弹体爆炸的过程符合二维结果，其值为1/2，对于厚壁弹体，λ为1/3；a为常数，当λ为1/2时，a取2，当λ为1/3时，a取6；μ为破片的平均质量，kg。

2.3  破片初速计算模型

计算得到破片的分布率数据可作出破片的空间分布曲线，而每个球带之前的分布率之和又可以得到飞散特性曲线。

2.6  破片存速计算模型

弹丸爆炸后形成的破片在爆轰产物的作用下获得初速，不计重力对破片的影响，破片在空气阻力的作用下速度会出现衰减。破片飞行距离爆点位置x处的速度？淄x被称为破片存速。

3  试验内容设计

依据国军标GJB 3197—98《炮弹试验方法》中的球形靶试验要求，可将试验项目内容分为试验准备、弹丸的安装、测速装置的布置与连线及试验数据整理。

3.1  试验准备

试验准备主要包括球形靶、弹丸、测速装置和试验场地等的准备。球形靶是由在自然条件下干燥的三等松木板或强度相当的其他木板制成，这些木板厚度为25 mm，长度1 m，高度为3 m，半径为5 m，共计15块，从而构成半圆形靶板。

3.2  弹丸的安装

将弹丸竖直放置在爆桩上，使被试弹丸放置后其质心距地面的距离为1.5 m。

3.3  测速装置的布置与连线

在以爆点为圆心的破片的不同飞散方向上确定测速靶点，各测速通靶距爆点的距离根据被测弹丸的口径确定，测速通靶安放完毕后，接线计时仪，准备试验。

3.4  试验数据整理

根据每发弹丸的爆炸结果，编制一份球形靶上不同区域着靶破片数量的统计表，并依据国军标获得破片飞散规律。

4  试验场景三维建模

三维模型是整个试验过程仿真实现的基础，采用3ds MAX软件构建试验场景所需模型并进行效果渲染，包括试验场地模型、靶板、靶架、测试弹丸、爆桩、测速通断靶、导线和测试仪器等，并导入到Unity3D中，部分模型效果如图2所示。

5  软件实现

球形靶试验虚拟仿真软件采用VS2019、Unity3D、MySQL和3ds MAX等软件开发，实现用户和软件的交互，用户进入虚拟试验场景中，根据场景中的指导性文字开始进行试验操作，最终完成球形靶虚拟仿真试验。

5.1  球形靶试验虚拟仿真软件主界面

操作者输入正确用户名、密码后就能够进入软件主界面，如图3所示。该界面下包括试验简介、理论知识、试验训练和试验考核4个模块。

5.2  理论知识操作界面

该界面包括试验目的、操作步骤、试验设备、试验条件和试验准备等操作，详细介绍了球形靶试验过程中所需掌握的知识，如图4所示。

5.3  试验训练操作界面

试验训练和试验考核都可以实现对球形靶试验的操作，试验训练具有试验过程文字性指导操作功能，试验考核由操作者独立完成。以试验训练为例进行球形靶试验仿真过程操作介绍，进入试验训练后，根据操作指导进行试验，弹丸起爆并显示破片飞散过程及破片着靶过程，如图5所示，测试设备显示测得破片初速，并自动统计每块靶板上的破片数量，如图6所示。根据统计的破片着靶数量，参照国军标可获得破片空间分布和破片飞散曲线，为靶场试验或专业教学提供参考。

6  结论

依据国军标GJB 3197—98《炮弹试验方法》中的球形靶试验要求，基于Unity3D平台，应用典型经验公式模型，结合球形靶试验开展的实际情况，建立了球形靶试验的虚拟场景，完成了试验过程的虚拟仿真，使操作者了解试验过程和步骤，动态展示了球形靶试验中破片飞散与着靶过程，并统计每块靶板上的破片数量，为获得弹丸爆炸后的破片飞散规律提供参考。

球形靶试验虚拟仿真软件解决了高校此类试验教学无法开展的问题，而且提高了学生学习兴趣，辅助课堂教学，培养学生的动手能力，保证试验的经济性和安全性，方便实现资源共享。

参考文献：

[1] 徐敬青，崔平，文健，等.基于3DSMAX和Unity3D的末制导炮弹射击准备虚拟训练系统设计[J].兵器装备工程学报，2021，42（7）：30-34.

[2] 韩君利.基于Unity3D的底排火箭复合增程弹虚拟拆装系统设计[J].电子测试，2021（10）：113-114.

[3] 张心怡.基于Unity3D与VR技术的模拟战场测试环境的搭建[D].西安：西安电子科技大学，2020.

[4] 孙琴，肖书浩，何为.基于Unity3D的机械类虚拟仿真实验评分系统开发[J].自动化与仪器仪表，2021（7）：80-83.

[5] 张玉军，孟晓军，汤华军.基于Unity3D的虚拟训练场景构建与优化[C]//2020中国系统仿真与虚拟现实技术高层论坛论文集，2020：172-175.

[6] 崔瀚，焦志刚，杨秀英.基于Unity3D的火炮外弹道虚拟视景仿真系统[J].兵工自动化，2017，36（10）：1-5.

[7] 刘闯，曹红松，张雨，等.基于VR的杀爆弹静爆实验系统设计与开发[J].实验室研究与探索，2018，37（8）：153-157.

[8] 黄巍，韩旭东，朱彬峰.基于Unity3D的多管火箭炮虚拟拆装系统设计[J].机械工程师，2019（6）：21-22.