[发明专利]一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法

摘要

本发明公开了一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法，该方法操作简单，能快速有效地实现雨弹自毁功能可靠性的分析与评估；本发明根据火药自毁式雨弹自毁功能的工作任务模式，提出了通过固定火药自毁单元和运动火药自毁单元实现自毁的雨弹系统自毁可靠性分析评估模型，运用经典内弹道学原理构建了运动火药自毁单元可靠性的仿真模型，进而对雨弹自毁功能的可靠性进行设计、分析与评估。

主权项

一种用于雨弹自毁功能可靠性的分析与评估方法，其特征在于：包括以下具体步骤：步骤一、根据工作原理构建雨弹自毁功能子系统可靠性的逻辑框图模型；步骤二、分析影响实现雨弹自毁功能可靠性的关键因素，并收集火工品元器件的可靠度数据；步骤三、根据雨弹中部自毁单元及尾部自毁单元需要传火药燃气压力推动下运动到指定位置的工作原理，基于经典内弹道学理论，建立雨弹自毁工作过程的数学模型；步骤四、利用蒙特卡洛方法对中部自毁单元及尾部自毁单元运动至指定位置的工作过程进行模拟仿真，求解出中部自毁单元及尾部自毁单元运动到指定位置的可靠度数据；步骤五、结合构建的雨弹自毁功能可靠性框图模型对人工增雨防雹弹自毁功能可靠性进行分析与评估；在步骤一中，所述可靠性框图模型包括火药延期单元R1、头部自毁单元RT、中部自毁单元RC、尾部自毁单元RA；所述火药延期单元R1与头部自毁单元RT的输入端信号连接；所述头部自毁单元RT的输出端与中部自毁单元RC的输入端信号连接；所述中部自毁单元RC的输出端与尾部自毁单元RA的输入端信号连接；其中，火药延期单元R1包括电点火头R11、电点火头R12、电点火头R17、电点火头R18、焰剂延期点火具R13、焰剂延期点火具R14、焰剂R15、一级延期管R16、电延期管R19、传火药R110；所述电点火头R11与焰剂延期点火具R13信号连接；所述电点火头R12与焰剂延期点火具R14信号连接；所述焰剂延期点火具R13、焰剂延期点火具R14均与焰剂R15信号连接；所述焰剂R15与一级延期管R16信号连接；所述一级延期管R16、电延期管R19均与传火药R110信号连接；所述电点火头R11分别与电点火头R17、电点火头R18信号连接；根据该可靠性框图，设定雨弹自毁功能的可靠性数学模型为：R＝R1RTRCRA   公式(1)由自毁子系统可靠性逻辑框图可得到火药延期单元的可靠度,其可靠度计算公式为：R1＝{1‑{1‑[1‑(1‑R11R13)×(1‑R12R14)]×R15×R16}×{1‑[1‑(1‑R17)×(1‑R18)]×R19}}×R110公式(2)其中R11、R12、R17、R18表示为电点火头的可靠度，R13、R14表示为焰剂延期点火具的可靠度，R15表示为焰剂的可靠度，R16表示为一级延期管的可靠度，R19表示为电延期管的可靠度，R110表示为传火药的可靠度；中部自毁单元的可靠性RC及尾部自毁单元的可靠性RA则是这两个单元火工品的可靠度与其运动至指定位移的可靠度的综合，即RC＝RC1×RCL   公式(3)RA＝RA1×RAL   公式(4)其中，RC1为中部自毁单元火工品的可靠度，RA1为尾部自毁单元火工品的可靠度；根据雨弹自毁功能实现的工作原理，将可靠性模型结构进行简化，所述模型包括弹体、第一药室、第二药室、中部自毁体、尾部自毁体、中卡及喷管口；所述第一药室设置在弹体的最前端，且靠近中部自毁体设置；第二药室设置在中部自毁体与尾部自毁体的中间部位；所述中卡设置在弹体的中部；所述喷管口设置在弹体的尾端；在步骤二中，对影响实现雨弹自毁功能可靠性的关键因素进行分析，主要包括以下几个方面：(1)、由步骤一所建立的可靠性框图确定影响实现雨弹自毁功能可靠性的关键因素为两个自毁单元运动至指定位置的可靠性；(2)、根据步骤一所建立的可靠性模型明确需要收集的火工品元器件可靠性数据；在步骤三中，所构建的的数学模型主要基于如下假设：(1)、自毁单元中各级火工品传递过程是否可靠，自毁体爆炸威力是否满足要求，即在指定位置起爆时能将弹体完全炸碎需通过火工品元件的可靠性确定；(2)、自毁单元运动至指定位置的过程满足经典内弹道模型的相关假设；(3)、由于连通两个药室的小孔孔径极小，其流通气体相对药室气体总量而言极小故假设小孔内无气体流动；(4)、自毁单元被传火药推动至指定位置的过程不考虑气体的粘性、气体对弹体内壁的摩擦，燃气向燃烧室壁的传热采用间接方法修正；(5)、火药燃烧及两个自毁单元运动都在平均压力下进行；(6)、考虑到中卡卡住中部自毁单元时中部自毁单元速度极小，对弹体冲击也极小，故近似认为在此过程所产生的热量对第二药室无影响；(7)、由于传火药燃烧及自毁单元运动过程时间很短，远小于延期管的延期时间，故其自毁时间及高度只与延期管的延期时间及雨弹发射的外弹道有关，在此忽略其影响；所构建的数学模型主要包括以下六个阶段，具体如下：1)、第一阶段，从两个药室(即第一药室、第二药室)的火药开始燃烧到尾部自毁单元开始运动，此过程为药室定容燃烧过程；整个过程的所涉及的公式如下：这是一个组合类公式，其中，第一个公式为第二药室燃气生成方程式，第二个公式为第二药室燃烧速度方程式，第三个公式为第二药室压力方程式；在以上公式中，p2为第二药室的压力，V0′为第二药室的初始容积；ω2为第二药室的装药量；以起动压力P0为初值，求解出第二药室火药燃烧情况；2)、第二阶段，从尾部自毁单元与中部自毁单元分离瞬间到中部自毁单元开始运动，此过程为第二药室燃烧并对外膨胀做功，第一药室定容燃烧过程；整个过程的所涉及的公式如下：在这个组合公式中，第一个公式为第一药室燃气生成方程式，第二个公式为第二药室燃气生成方程式，第三个公式为第一药室燃烧速度方程式，第四个公式为第二药室燃气生成方程式，第五个公式为第一药室压力方程式，第六个公式为第二药室气体状态方程式，第七个公式为尾部自毁单元动量方程式，第八个公式为尾部自毁单元运动方程式，第九个公式为第二药室能量守恒方程式，第十个公式为计算终止条件方程式，第十一个公式为第二药室单位质量气体流出的焓的计算方程式；在以上公式中，p1为第一药室的压力，V0为第一药室的初始容积；ω1为第一药室的装药量，w2为第二药室由于尾部自毁单元与弹体之间的间隙泄露的气体质量百分数，T2为第二药室内的气体温度，l2为尾部自毁单元相对中部自毁单元的位移，φ2为尾部自毁单元的次要功计算系数，m2为尾部自毁单元的质量，v2为尾部自毁单元的速度，S2为尾部自毁单元的截面积，p0为外界大气压力，Rg＝R/M，M为传火药燃烧气体的摩尔质量；3)、第三阶段，从中部自毁单元开始运动到第二药室火药完全燃烧为止，此阶段两个药室火药均燃烧且膨胀做功；整个过程的所涉及的公式如下：在这个组合公式中，第一个公式为第一药室燃气生成方程式，第二个公式为第一药室燃烧速度方程式，第三个公式为第二药室燃气生成方程式，第四个公式为第一药室气体状态方程式，第五个公式为第二药室气体状态方程式，第六个公式为中部自毁单元的动量方程式，第七个公式为中部自毁单元运动方程式，第八个公式为尾部自毁单元的动量方程式，第九个公式为尾部自毁单元运动方程式，第十个公式为第一药室的能量守恒方程式，第十一个公式为第二药室的能量守恒方程式，第十二个公式为第一药室单位质量气体流出的焓的计算方程式；在以上公式中，w1为第一药室由于中部自毁单元与弹体之间的间隙泄露的气体质量百分数，T1为第一药室内的气体温度，l1为中部自毁单元相对弹体的位移，φ1为中部自毁单元的次要功计算系数，m1为中部自毁单元的质量，v1为中部自毁单元的速度，S1为中部自毁单元的截面积，h1为第一药室单位质量气体流出的焓；4)、第四阶段，从第二药室传火药完全燃烧到第一药室传火药完全燃烧为止，此阶段第二药室膨胀做功，第一药室燃烧且膨胀做功；整个过程的所涉及的公式如下：在这个组合公式中，第一个公式为第一药室燃烧速度方程式，第二个公式为第一药室气体状态方程式，第三个公式为第二药室气体状态方程式，第四个公式为第一药室的能量守恒方程式，第五个公式为第二药室的能量守恒方程式，第六个公式为中部自毁单元的动量方程式，第七个公式为中部自毁单元运动方程式，第八个公式为尾部自毁单元的动量方程式，第九个公式为尾部自毁单元运动方程式；5)、第五阶段，从第一药室传火药完全燃烧至中部自毁单元运动到弹体中部指定位置，此时两药室膨胀做功；整个过程的所涉及的公式如下：在这个组合公式中，第一个公式为第一药室气体状态方程式，第二个公式为第二药室气体状态方程式，第三个公式为第一药室的能量守恒方程式，第四个公式为第二药室的能量守恒方程式，第五个公式为中部自毁单元的动量方程式，第六个公式为中部自毁单元运动方程式，第七个公式为尾部自毁单元的动量方程式，第八个公式为尾部自毁单元运动方程式；通过方程组的求解可计算出中部自毁单元的运动情况；6)、第六阶段从中部自毁单元运动至弹体中部指定位置到尾部自毁单元运动至弹体尾部指定位置瞬间，此阶段中部自毁单元由于弹体中部位置的相关机构将其卡住不再运到，第一药室气体不再泄露，尾部自毁单元依然在燃气压力推动下运动；整个过程的所涉及的公式如下：在这个组合公式中，第一个公式为第二药室气体状态方程式，第二个公式为尾部自毁单元的动量方程，第三个公式为尾部自毁单元运动方程，第四个公式为第二药室的能量守恒方程式，通过方程组求解出尾部自毁单元的运动情况；上述六个方程组中：(1)、第一药室流入第二药室的气体流量方程：式中φ3为流量损耗系数，S1′为中部自毁单元与弹体间隙的截面积，m1′为第一药室的气体质量；(2)、第二药室流入外界的气体流量方程：式中φ4为流量损耗系数，S2′为尾部自毁单元与弹体间隙的截面积，m2′为第二药室的气体质量；在步骤四中，在考虑影响中部及尾部自毁单元运动的主要因素后，利用蒙特卡洛方法对中部自毁单元运动至中卡位置，尾部自毁单元运动至喷管口位置的可靠性进行分析，具体步骤如下：a、要实现自毁功能，需要满足传火药能将中部自毁单元推至弹体中卡位置，同时将尾部自毁单元推至喷管口位置，设弹体中部指定位置到初始状态下中部自毁单元底部的距离为Y1，弹体尾部指定位置到初始状态下尾部自毁单元底部的距离为Y2；实际生产过程中，由于制造精度影响，Y1与Y2为服从一定分布规律的参数，且总体Y1的分布函数为f1y(y)，总体Y2的分布函数为f2y(y)；b、根据上述数学模型通过仿真可得出中部自毁单元相对弹体位移L1的一个样本及尾部自毁单元相对弹体位移L2的一个样本，且L1的分布函数为f1Z(z)，总体L2的分布函数为f2Z(z)；中部、尾部自毁单元能够到达弹体中部、尾部指定位置需满足L1≥Y1，且L2≥Y2这一条件；c、确定各项参数的分布函数后，则可确定中部自毁单元运动至弹体中部指定位置的可靠度，计算公式为：尾部自毁单元运动至弹体尾部指定的可靠度，计算公式为：影响自毁单元运动至指定位置的最主要的因素为第一药室及第二药室的火药装药量ω1、ω2及中部自毁单元与尾部自毁单元的质量m1、m2；在实际情况中，装药量ωi(i＝1,2)及各自毁单元质量mj(j＝1,2)均存在一定的取值范围及统计特征：ωip‑△ωi≤ωi≤ωip+△ωi   公式(15)mjp‑△mj≤mj≤mjp+△mj   公式(16)式中ωip为ωi的公称值，△ωi为ωi的公差，mjp为mj的公称值，△mj为mj的公差；d、根据建立的基于内弹道理论的数学模型，可得到自毁单元相对弹体位移与两个药室装药量及两个自毁单元质量相关的函数：L1＝D(ωi,mj)   公式(17)L2＝D(ωi,mj)   公式(18)式(17)是以中部自毁单元相对弹体的位移L1为未知函数的方程组，式(18)是尾部自毁单元相对弹体的位移L2为未知函数的方程组；e、为得到L1、L2的分布函数，通过Monte Carlo仿真，根据实际情况对两个药室的装药量和中部自毁单元及尾部自毁单元的质量按其服从的分布规律及质检把关的要求进行随机抽样；如在第k次抽样时，按要求抽取ωik(i＝1,2)和mjk(j＝1,2)；将ωik和mjk代入(17)、(18)式(即求解方程组)可分别得到中部自毁单元与尾部自毁单元相对弹体的位移的运行抽样值：l1k＝D(ω1k,ω2k；m1k,m2k)   公式(19)l2k＝D(ω1k,ω2k；m1k,m2k)   公式(20)当仿真模型运行N次后，可得到N个中部自毁单元相对弹体的位移值l1k(k＝1,2,…,N)及N个尾部自毁单元相对弹体的位移值l2k(k＝1,2,…,N)；分别以N个l1k值作为中部自毁单元相对弹体位移L1的一个样本，以N个l2k值作为尾部自毁单元相对弹体位移L2的一个样本，绘出两个参数的频数直方图，并粗略估计或假设出总体L1的分布函数f1Z(z)，总体L2的分布函数f2Z(z)；通过样本数据对假设进行检验，以判断假设的正确性；最终确定分布函数f1Z(z)及分布函数f2Z(z)，由(13)(14)式可确定雨弹中部及尾部自毁单元运动至指定位置的可靠度；在步骤e中，Monte Carlo仿真的过程，具体步骤如下：步骤(一)、明确抽样参数ω1、ω2和m1、m2及仿真次数N；步骤(二)、利用Monte Carlo对参数进行随机抽样；步骤(三)、将参数ω1、ω2和m1、m2及仿真次数N代入公式(17)、(18)进行求解；步骤(四)、输出l1k、l2k并存入数组L1、L2；此过程中N≥k；步骤(五)、输出数组L1、L2，并得出其分布函数。