基于CATIA 的飞机易损性评估系统设计#
裴扬，宋笔锋，张玉刚*
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（200806991002）
作者简介：裴扬，（1978-），男，副教授，主要研究方向：飞机总体设计与生存力评估. E-mail:
peiyang_yang@nwpu.edu.cn
（西北工业大学航空学院，西安 710072）
5 摘要：飞机研制部门主要以CATIA 为平台进行设计与建模，为了方便设计人员在初始设计阶
段进行飞机易损性与生存力分析，本文设计了一套基于CATIA 的飞机易损性评估软件系统。
系统主要包括以下模块：几何建模与部件属性模块、射击线预处理模块、杀伤树逻辑关系模
块、威胁参数设置模块、非爆穿透物与近炸导弹易损性计算模块、易损面积与杀伤概率后置
处理模块等。该系统以美国军用飞机生存力标准及国内军用指南作为参考进行系统设计，目
10 前该系统的基本框架与结构已构建完成，CATIA V5 教育版正进行相关测试。后续仍需对爆
炸冲击波分析模块、离散杆与连续杆导弹战斗部分析模块、定向能武器分析模块以及低易损
性优化设计模块进行开发与完善。
关键词：易损性；生存力；杀伤概率；易损面积；CATIA
中图分类号：V221
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Aircraft Vulnerability Assessment System Design Based on
CATIA
PEI Yang, SONG Bifeng, ZHANG Yugang
(School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072)
20 Abstract: In the aircraft research and development institute, researchers mainly utilize CATIA as a
tool to design and model an aircraft. To facilitate the designers to analyze the vulnerability and
survivability in the aircraft preliminaly design stage, aircraft vulnerability assessment system
based on CATIA is designed. The system includes geometric modelling and component attributes
model, shotline preprocessing model, logic kill tree analysis model, threat paremeter model,
25 vulnerability calculation model for nonexplosive penetrators and missile fragments,
postprocessing of vulnerable area and kill probability. The advantage of this system is that it is
designed referring to USA and China survivalility standards or guidance. Up to now, the basic
founctions and frame for this system are constructed, more work will be done concerning blast
wave damage model, dicrete or continuous rod warhead model, directional energy weapon model
30 and low vulnerability optimization model.
Keywords: Vulnerability; survivability; kill probability; vulnerable area; CATIA
0 引言
易损性评估是飞机生存力研究的一项重要内容。目前，国外代表性的飞机易损性评估软
35 件和程序有美国的BRL_CAD、FASTGEN、COVART、SHAZAM、JSEM 和AJEM 等[1, 2]。
其中，前两种计算机程序是预处理程序，用于产生射击线对飞机进行几何描述，提供输入数
据给COVART，以便计算飞机的杀伤概率及易损面积。SHAZAM、JSEM 和AJEM 是高爆
战斗部（如导弹）终端效应的评估程序，用于计算飞机在高爆碎片作用下的杀伤概率和易损
面积，以及评估爆炸冲击波对飞机的毁伤情况等。国内在易损性评估方面已经开发了一些软
40 件系统，如飞机武器系统几何描述软件[3, 4]，空空导弹单发杀伤概率仿真计算软件[5]、基于
面元法的飞机易损性评估系统[6]等。目前，飞机研制部门主要以CATIA 为平台进行飞机的
设计与建模，为了方便设计人员在初始设计阶段进行飞机易损性与生存力分析，本文以
VC++为开发平台，通过对CATIA V5 软件进行二次开发，建立了一套基于CATIA 的飞机
 易损性评估软件系统。
45 1 系统特征与基本模块功能
该系统具有如下基本特征：
（1）以CATIA 作为平台，方便模型修改与评估
以CATIA 作为平台，通过易损性建模，并调用易损性计算与分析模块，可以对飞机的
易损性进行评估，可以考虑飞机布局设计、杀伤等级选择、威胁种类等因素的影响。
50 （2）采用杀伤树确定部件与系统毁伤关系，可以提供定性评估结果
引用可靠性中失效树的概念，通过利用与门、或门、表决门逻辑门，建立部件与系统毁
伤关系的杀伤树毁伤结构图，可提供飞机在各种杀伤等级（损耗杀伤：KK、K、A、B；任
务放弃杀伤）下的定性评估结果，给出每个杀伤等级对应的最小割集。
（3）以国军标作为参考，提供多种定量评估指标
55 2002 年，国防科工委公布了《飞机非核生存力通用指南》（GJB/Z 202-2001）[7]，建议
了易损性计算所应提供的分析结果。根据该指南，该系统可以提供如下计算结果：非爆穿透
物打击下（26 个典型方向）的飞机易损/面积、杀伤概率；导弹碎片打击下（26 个典型方向、
多种碎片分布密度）的飞机易损/面积、杀伤概率。
（4）提供多种杀伤准则，用户可以进行修正
60 在飞机易损性计算中，该软件提供了部件的引燃、引爆、穿透杀伤的概率杀伤准则。由
于杀伤准则对易损性影响较大，因此还提供了用户进行休正（根据易损性试验结果）的接口，
在无修正数据的条件下，可以采用软件自带的经验公式进行分析。
（5）计算与分析结果可采用数据文件或云图形式显示
典型威胁打击下的飞机/部件易损性计算结果不仅可以以数据文件形式进行保存，而且
65 可以采用云图形式进行图形化显示，提供直观的效果。
软件使用流程如图1 所示，用户需要首先定义待计算攻击方向列表、CATIA 软件中三
维模型的各部件（特征树中零部件的父级节点所在的组件或产品）属性，然后可生成各攻击
方向的射击线，各部件间的杀伤逻辑关系可通过杀伤树设置模块进行设置，通过参数设置模
块设置好全局参数后，即可进行易损性计算，最后可通过后置处理模块对易损性数据进行查
70 看和处理。系统主要包括以下子模块：几何建模与部件属性模块、射击线预处理模块、杀伤
树逻辑关系模块、威胁参数设置模块、非爆穿透物易损性计算模块、近炸导弹易损性计算计
算模块、易损面积与杀伤概率云图后置处理模块等，下面介绍各个模块的基本功能。
1.1 几何建模与部件属性模块
通过CATIA 软件的三维建模功能建立飞机整机实体数字模型，待计算CATIA 模型属
75 于一个产品（Product），文档后缀为.CATProduct，模型中包含若干个子产品或组件，最终
包含若干个零部件（Part），零部件要求最终为实体模型，如果仅含曲线曲面模型，进行易
损性计算时将自动忽略。模型中所有零部件级位于特征树中最底层，软件将以其父级产品或
组件为最小单位进行计算。
在进行易损性计算之前，需要根据每个部件的性质进行属性的设置，如图2 所示，属性
80 设置模块的功能包括：显示当前模型的组件数量以及组件名称；设置每个组件的材料类型、
损耗杀伤致命性标识（KK 级、K 级、A 级、B 级、非致命性）、任务放弃杀伤致命性标识
（C 级、非致命性）、杀伤模式（引爆、引燃、穿透、无）、杀伤概率函数（常数值、经验
 公式）；方向概率函数修正（前、后、左、右、上、下），概率函数的修正可采用易损面积
比例法进行，对于结构件，需结合承载能力进行修正。
85
图1 系统运行流程
Fig.1 The system operation flowchart
90
图2 模型属性
Fig.2 The attributes for the model
1.2 射击线预处理模块
95 采用射击线扫描法来获得部件的射击线预处理数据（Line of Shot, LOS）。由于弹丸尺
寸与飞机及其部件尺寸相比较小，所以每个弹丸的运动可以用一条射击线来描述。通过对飞
机表面及内部部件进行扫描，可以获得所有可能情况下弹丸在飞机内部的运动情况，并可以
采用数据文件形式描述不同打击方向条件下弹丸（射击线）击中部件的名称、部件的代码、
射击线穿过每个部件的厚度、每个部件的材料、每个部件间的空间距离、击中部件的顺序等，
100 这些数据均为后续的易损性计算提供必要的输入数据。射击线预处理的过程如图3 所示，该
前置处理
与参数设
置模块
飞机易损性
计算与生存
力分析系统
调用 输出
输入
后置显示
模块
易损性计
算模块
攻击方向
模型属性
威胁参数
杀伤树参数
……
易损性指标
杀伤概率云图
显示
挂接
创建
读取
CATIA
软件
CATIA
模型
 方法的基本思路为：在给定的打击方向上将飞机模型向垂直于该平面投影，将一平面网格（网
格单元长为w，宽为h，其大小由用户指定，越小精度越高，计算速度越慢）平铺在飞机投
影模型上，在平面网格的每个单元的中点产生1 条射击线（共产生N 条射击线，这N 条射
击线只会有一部分与飞机相交），从而模拟无穷远处无数条该方向上的平行射击线与飞机进
105 行撞击。通过由射击线1 到射击线N 对飞机表面进行扫描来获得易损性计算所需的数据。
图3 射击线预处理
Fig.3 Shotline preprocessing
110
1.3 杀伤树逻辑关系模块
在确定飞机的致命性部件与非致命性部件之后，通常，可以利用杀伤树来表示致命性部
件杀伤与目标杀伤的逻辑关系。在该模块中，通过读入每个部件的基本属性，采用可靠性中
的或门、与门、表决门等来绘制每个杀伤等级的杀伤树，用以描述部件杀伤与整个飞机杀伤
115 的逻辑关系，如图4 所示。所考虑的杀伤等级分为两大类：损耗杀伤和任务放弃杀伤（C 级
杀伤）。在损耗杀伤中又分为四个等级：B 级、A 级、K 级、KK 级，这四个等级具有包含
关系，即B 级包含A 级、K 级和KK 级，A 级包含K 级和KK 级。杀伤树模块由CATIA 单
独外挂软件进行计算。用户需要确定进行分析的杀伤等级，并对每个等级进行输入相应逻辑
关系，最后形成易损性计算所需的最小割集合。“最小割集”主要求解方法为：行列法、结
120 构法、布尔代数化简法。
图4 杀伤树分析
Fig.4 Kill Tree analysis
125
1.4 威胁参数设置模块
该模块主要用于设置非爆穿透物威胁与导弹破片威胁参数，在设置参数时，还需要考虑
 威胁打击方向的影响，对于详细的评估，需要给出26 个标准打击方向的易损性计算结果，
如图5 所示。
130 （1）非爆威胁参数设置，包括：弹丸形状（球形、立方形、圆柱形、菱形、平行六面
体形）、弹丸特征长度、弹丸特征宽度、弹丸特征厚度、弹丸质量、弹丸材料强度、弹丸材
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