2.3 装甲车辆武器系统分析
2.3.1 装甲车辆武器系统分析概述
（1）装甲车辆武器系统分析及其任务
装甲车辆武器系统分析，就是用系统分析方法来分析武器系统，寻求最优方案。装甲车辆武器系统分析，是使用周密、可再现技术来确定武器系统各种方案的可比性能。
装甲车辆武器系统分析的任务：
①向武器系统设计决策者提供适当的资料和方法，帮助其选择能达到规定的战术技术指标的武器系统方案。
②对武器系统设计的不同层次进行分析，提供优化方案。
③对武器系统的发展、选择、修改、使用提出改进意见。
系统分析者应该不带偏见，进行公正的技术评估。因此，在进行装甲车辆武器系统分析时，必须注意系统分析的要素。
①目标：系统分析的主要任务和目标必须明确。
②方案：系统分析的目的是选择优化方案，必须进行多方案比较。
③模型：系统分析确定的是各种方案的可比性能，必须建立抽象的模型并进行参数量化。
④准则：系统分析的过程是选优的过程，必须制定优劣评判标准。
⑤结果：系统分析的结果是得到最优方案。
⑥建议：系统分析的最终结果是提出分析建议，作为决策者的参考意见。
系统分析是对系统可比性能进行分析，系统的性能一般应转化为数量指标。为了对武器进行系统分析，通常将武器的主要战术技术指标转化为武器系统综合性能指标。武器系统综合性能指标主要有效费比。
效费比（也称相对价值）是以基本装备为基准，经过规范化的、装甲车辆武器系统的相对战斗效能与相对寿命周期费用之比，即
式中：W——相对价值；
E——以基本装备为基准经过规范化的相对效能；
C——以基本装备为基准经过规范化的相对费用。
效费比综合评定不同武器系统的性能，应用比较广泛。
（2）装甲车辆武器系统分析方法
装甲车辆武器系统分析方法主要包括系统技术预测和系统评估与决策两个方面。
1）系统技术预测
装甲车辆武器系统技术预测，是预测现有武器系统的特性及行为。装甲车辆武器系统技术预测方法主要有几何模拟法、物理模拟法、动力学数值仿真法和虚拟样机仿真法等。
①几何模拟法，是从结构尺寸上，用模型模拟实体，可以是实物几何模拟，如木模等，也可以是计算机实体造型，即主要分析实体的造型、结构模式和连接关系等。
②物理模拟法，是根据量纲理论，用实物或缩尺模拟实物的动态特性。
③动力学数值仿真法，是应用动力学理论建立数学模型，应用计算机求解、分析装甲车辆武器系统动态特性，并用动画技术进行动态演示。
④虚拟样机仿真法，是利用多媒体技术，造就和谐的人机环境，创造崭新的思维空间、逼真的现实气氛，模拟系统的使用环境及效能。
目前应用较广泛的是武器动力学数值仿真和虚拟样机仿真。
武器动力学数值仿真是在计算机和数值计算方法发展的条件下形成的一门新学科。目前武器的动力学分析、动力学设计、动态模拟和动力学仿真以及有关的试验、测试研究已具备了相当的水平，对武器的研制、开发起到了积极的推动作用。
在总体与重要构件设计中，动力学数值仿真主要解决以下问题：已知力的作用规律和武器的结构，求武器一定部位的运动规律；已知力的作用规律和对武器运动规律的特定要求，对武器结构进行修改或动态设计；已知力的作用规律和武器的结构，求力的传递和分布规律。如自行火炮行进间射击时，对于路面的响应对射弹散布影响的分析；火炮动态特性优化设计；以减小火炮膛口动力响应为目标（跳动位移、速度、侧向位移、速度、转角及角速度等），找出主要影响因素，进行结构的动态修改。
武器动力学数值仿真的一般步骤：
①根据武器的结构特点和仿真要求确定基本仿真方案。
②建立基本假设，进行模型简化。
③对武器进行运动分析和动力学分析，建立动力学仿真数学模型，包括参数获取。
④编制和调试武器动力学数值仿真程序。
⑤针对典型武器进行动力学数值运算，求解结果。
⑥分析结果，验证模型、程序和方法的正确性。
⑦进行武器动力学数值仿真试验，预测武器行为及其特性。
武器动力学数值仿真最关键的是建立数学模型。一般在对研究对象深入理解和分析的基础上，用多刚体动力学方法建立武器动力学仿真数学模型。多刚体系统动力学是古典的刚体力学、分析力学与现代计算机技术相结合的力学分支，它的研究对象是由多个刚体组成的系统。多刚体动力学方法是常见的动力学仿真方法，其基本思想是把整个系统简化为多个忽略弹性变形的刚体，各个刚体之间利用铰链或带阻尼的弹性体连接，根据各刚体的位置、运动关系和受力情况建立相应的全系统动力学方程。
武器动力学数值仿真常用的多刚体动力学方法有：拉格朗日方程法、凯恩法、牛顿—欧拉法、罗伯逊—维登伯格（R-W）法、力学中的变分法和速度矩阵法等。
武器虚拟样机仿真是结合武器动力学分析方法和有限元方法，运用三维计算机虚拟模型，对武器及其关键结构进行基于有限元的刚强度分析和基于刚体动力学的动力响应分析，预测武器及其主要关键结构的动态行为和特性。通过武器虚拟样机仿真可以预测武器的动态特性、系统精度以及系统动态刚强度等直接影响武器性能和状态的理论结果。
在武器动力学虚拟样机仿真研究中关键是要解决两个关键技术问题：模型的准确性和模型所需的原始参数的准确性。为此，在理论研究的同时，需要建立相应的试验条件来检验和校准动力学模型的准确性。
由于现代装甲车辆武器系统随着现代科学技术的发展变得越来越复杂，建立一个能考虑各种因素在内的精确的武器动力学虚拟样机几乎是不太可能的。为此，在建立武器动力学虚拟样机时应根据装甲车辆武器系统的特点，抓住要害，在前人研究的基础上，应重点考虑：武器系统的机电耦合问题；装甲车辆武器系统动力学中的非线性问题；装甲车辆武器系统的动态响应问题；武器结构的性能控制问题等。
武器动力学虚拟样机仿真的一般步骤：
①根据武器的结构特点和仿真要求确定基本仿真方案。
②建立基本假设，进行模型简化。
③建立武器三维实体模型。
④获取各种几何参数和动力参数，如质量、重心位置、转动惯量等。
⑤建立虚拟样机仿真模型，包括仿真方法、约束、边界条件、受力状态等；对于非标准型约束条件、边界条件及受力状态等，应开发嵌入式模块。
⑥选用适合的通用软件平台，进行武器动力学仿真运算，求解结果。
⑦分析结果，验证模型和方法的正确性。
⑧改进设计，进行武器动力学虚拟样机仿真试验，预测武器行为及其特性。
武器虚拟样机仿真的主要目的是了解、分析发射过程中武器各部件的响应，并由此计算相应各部件的受力关系，为后续武器性能分析奠定基础。例如，通过对火炮动力学虚拟样机仿真，预测火炮从发射到弹丸出炮口时装甲车辆武器系统的响应；为了研究不同偏心距对炮口扰动的影响，仿真预测出不同偏心距炮口点的俯仰角速度与没有偏心距时相应火炮炮口点的角速度之比，可以得出偏心距越大，炮口点的响应也就越大的结论。
2）系统评估与决策
装甲车辆武器系统的研制过程是一个择优的动态设计过程，又是一个不断在主要研制环节上评价决策的过程。武器的评价决策与研制过程中结构优化设计的不同之处在于：它是对经过多种方法优化提出的多方案的评价；它是系统的高层次综合性能评估。决策的目的和任务是合理决定武器的战术技术指标，选择方案，以最经济的手段和最短的时间完成研制任务，因此要有评价方法。显然，评价方法应能对被评系统做出综合估价（综合性），同时评价的结果应能反映客观实际并可度量（代表性和可测性），且评价方法应简单可行（简易性）。
对武器系统全面评价（不再区分方案与产品），应是性能（或效能）、经济性（全寿命周期费用）两方面的综合评价，即通常所说的“效费比”。根据需要，性能和经济性评价也可分开进行。
评价作为一种方案的选优方法或者作为提供决策的参考依据，不可能是绝对的。但评价方法的研究会促使决策的科学化，使考虑的问题更加系统和有层次，减少盲目性和片面性。
装甲车辆武器系统评估与决策方法主要有效费比分析法、模糊评估法、试验评价法等。
①效费比分析法，也称综合指标法，是对能满足既定要求的每一装甲车辆武器系统方案的战斗效能和全寿命周期费用进行定量分析，给出评价准则，估计方案的相对价值，从中选择最佳方案。
效费比分析法主要用于以下三个方面：
a．从众多方案中选择最佳方案。
b．定量分析所选方案的相对价值。
c．分析技术改进对系统的影响以及技术改进方向。
效费比分析的主要内容包括：任务需求分析，不足之处和可能范围分析，使用环境分析，约束条件分析，使用概念分析，具体功能目标分析，系统方案分析，系统特性、性能和效能分析，费用分析，不定性分析，最优方案分析，预演，简化模型，效能与费用分析报告等。
效费比分析的关键是模型的建立及其定量化描述。
武器效费比分析法的实质是建立一个能客观反映武器性能主要因素间关系的、可以量化的评价指标体系，用以评估武器的综合性能，并引入武器效能概念，在估算或已知有关费用（成本或全寿命周期费用）的条件下对武器进行效费分析。
武器的效能与武器对目标的毁伤能力、射击能力、可靠性、生存能力等综合在一起，建立起相关的数学模型，通过计算得到量化结果。目前尚未有适用于不同武器的通用方法（主要指评价指标体系的组成与有关能力的定义和所含因素等），因此分析模型也因产品而异。近年来对自行高射炮与加榴炮系统，有关单位经研究提出了评价指标体系的建立方法。把装甲车辆武器系统的效能视为火力、火控、运载、防护各分系统效能的总和，各分系统的效能均包括三项基本能力，分别求得其三项基本能力的加权系数，每项能力由若干层次相关的具体性能参数组成。利用有关模型逐步求得各基本能力：按系统效能模型，可以计算出系统效能；按系统费用模型，可以计算出系统费用；按系统效费比的定义，可以计算出系统效费比。
②模糊评估法，是应用模糊理论对系统进行评估选择较优方案。武器中常有一部分定性要求，如结构布局、外形、使用操作方便等无法定量，只能以好、较好等模糊概念评价。模糊评估实质是将这些模糊信息数值化进行评价的方法。这种方法对于系统复杂、评估层次较多时也很适用。
模糊评估法的关键是隶属度的确定，即将用自然语言表述的各方案的性能关系（模糊的）进行数量化（确定的），确定各方案的性能关系，一般可以采用专家评估法（专家评估法也可以作为独立评估法使用）。
专家评估法又分为名次计分法、加权计分法等。
名次计分法，是一组专家对n个方案进行评价，每人按方案优劣排序，按最好n分、最劣1分，依次排序给分，最后把各方案得分相加，总分最高者为最佳。对专家意见的一致性可用一致性（或收敛性）系数检验。系数是0~1的数，越接近1越一致。
加权计分法，是以评价的各个目标为序，邀请若干专家对方案评分，经处理求得总分后，对各方案做出评价。评分可按10分制，以不可用为0，理想为10，依次按类似于不能用、缺陷多、较差、勉强可用、可用、基本满意、良、好、很好、超出目标、理想等评价级别给分；或按不能用、勉强可用、可用、良好、很好级别以5分制给分。如果评价各指标有指标要求值，则可按最低极限值、正常要求值、理想值分别给0、8、10分（5分制给0、4、5分）之后，用三点定曲线的方法，从曲线上找出被评系统相应指标值的对应分数。为避免专家个人因素影响，常取各专家评分的平均值或去掉最高分和最低分后的平均值作为对方案各指标的得分。对方案评价时应确定评价目标并加权。加权可由专家集体研讨确定各评价目标权值，各评价目标权值之和为1。或由专家议定判别表，计算各目标加权系数（权值），将各评价目标对应的方案分加权后求和得总分。
③在武器研制中，当某些技术、设计方案最终产品必须通过试验才能做出评价时，采用试验评价法。试验评价法大致可以分为鉴定试验、验证试验和攻关试验三种类型。
a．鉴定试验，是对最终产品的各项功能，按照经批准的有效的试验方法或试验规程，进行试验，根据试验结果，评价被鉴定产品与下达的战术技术指标的符合程度，并做出结论。鉴定试验在设计定型和生产定型阶段，是做出能否定型的主要依据；在方案阶段是带有总结性的重要工作；对重大的改进项目，是决定取舍的依据。我国已制定了一系列作为国家和行业标准的试验法，是进行鉴定试验必须遵守的法规。
b．验证试验，是当一项新原理、新方案形成后，借助理论分析和计算仍不能完成评价和决策，而必须通过试验取得结果才能评价、决策时所进行的试验，在方案构思和探索过程中是十分重要的工作。验证试验根据试验内容可能是实物、半实物或数字仿真试验，也可以是射击试验。验证试验一般都需要有试验装置或技术载体。
c．攻关试验，是当研制工作碰到重大的技术难题，靠理论分析和计算难以或不可能进行定性，特别是定量分析而不得不借助的试验。进行攻关试验的关键是试验设计，合理的试验设计能迅捷、经济地完成试验，达到预期的目的。攻关试验根据内容或运用现有的试验条件和措施，或部分、或全部更新；可以在实验室或厂房内，也可以在野外进行。
在武器的总体设计中，除了应用理论、方法和技术以外，还应重视贯彻和执行相关的技术标准，重视运用各类指导性的文件、资料、手册、通则，这是十分重要的。因为它们都是大量实践经验的总结，代表了相应时期的科学技术发展水平。对它们的执行和运用，可以避免个人经验的局限和水平的制约，还可以使设计人员把精力集中在关键问题的创造性劳动上，避免不必要的低水平重复劳动。