
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 250482-.doi: 10.12382/bgxb.2025.0482
王圣芳1,2, 常慧1,2,*(
), 焦志明1,2, 尹云飞1,2, 张团卫1,2, 李志强1,2, 王志华1,2,**(
)
收稿日期:2025-06-10
上线日期:2025-11-05
通讯作者:
基金资助:
WANG Shengfang1,2, CHANG Hui1,2,*(
), JIAO Zhiming1,2, YIN Yunfei1,2, ZHANG Tuanwei1,2, LI Zhiqiang1,2, WANG Zhihua1,2,**(
)
Received:2025-06-10
Online:2025-11-05
摘要:
含能高熵合金在作为活性破片材料以提升武器弹药的穿燃毁伤效应中具有潜力,而其毁伤效应和机理亟待研究。为了研究含能高熵合金的毁伤效果和爆燃过程中的碎片云特性,利用二级轻气炮装置开展了不同速度下TiZrHfTa0.5高熵合金对间隔铝靶的毁伤实验,通过高速摄像拍摄穿孔爆燃行为,对靶后碎片云的形成过程进行了理论分析和光滑粒子流体动力学数值模拟分析。研究结果表明, 含能高熵合金在超过临界速度后发生剧烈释能爆燃,随着侵彻速度的增加,迎弹靶扩孔直径增大,后效靶贯穿面积与毁伤面积增大。这是由于碎片云的碎片数量随着速度增加而急剧增多,速度梯度增大,极大促进含能特性的释放,毁伤效果增强。理论分析结合实验结果给出了修正的穿孔直径经验公式。分析碎片尺寸得出,碎片的细化更有利于化学能和动能的综合作用,毁伤效果更佳。
王圣芳, 常慧, 焦志明, 尹云飞, 张团卫, 李志强, 王志华. 高熵合金活性破片的毁伤效应与碎片云特性[J]. 兵工学报, 2025, 46(10): 250482-.
WANG Shengfang, CHANG Hui, JIAO Zhiming, YIN Yunfei, ZHANG Tuanwei, LI Zhiqiang, WANG Zhihua. Study on the Damage Effect and Debris Cloud Characteristics of Reactive Fragments of High-entropy Alloys[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(10): 250482-.
| 弹丸 质量/g | 气室 气体 | 气室 气压/ MPa | 泵管 气体 | 泵管 气压/ MPa | 活塞 材质 | 速度/ (m·s-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.57 | N2 | 2.02 | N2 | 0.87 | 铝合金+PC | 584 |
| 1.53 | N2 | 10.93 | N2 | 0.17 | PC | 1470 |
| 1.47 | N2 | 17.03 | N2 | 0.15 | PC | 2500 |
表1 二级轻气炮实验参数
Table 1 Experimental parameters of Two-stage Light Gas Gun
| 弹丸 质量/g | 气室 气体 | 气室 气压/ MPa | 泵管 气体 | 泵管 气压/ MPa | 活塞 材质 | 速度/ (m·s-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.57 | N2 | 2.02 | N2 | 0.87 | 铝合金+PC | 584 |
| 1.53 | N2 | 10.93 | N2 | 0.17 | PC | 1470 |
| 1.47 | N2 | 17.03 | N2 | 0.15 | PC | 2500 |
| 速度/(m·s-1) | 584 | 1470 | 2500 |
|---|---|---|---|
| 面积/mm2 | 170 | 308 | 986 |
表2 后效靶中心贯穿面积
Table 2 Post-effect target perforation area
| 速度/(m·s-1) | 584 | 1470 | 2500 |
|---|---|---|---|
| 面积/mm2 | 170 | 308 | 986 |
| 金属种类 | C0/ (km·s-1) | ρ/ (kg·m-3) | S | γ0 |
|---|---|---|---|---|
| Ti | 4.5 | 4.506 | 1.5 | 1.2 |
| Zr | 3.9 | 6.511 | 1.6 | 1.5 |
| Hf | 3.5 | 13.31 | 1.8 | 1.3 |
| Ta | 3.3 | 16.65 | 2.0 | 1.6 |
| TiZrHfTa0.5 | 4.413 | 9.339 | 1.189 | 1.137 |
表2 高熵合金元素物理参数
Table 2 Physical parameters of high entropy alloy elements
| 金属种类 | C0/ (km·s-1) | ρ/ (kg·m-3) | S | γ0 |
|---|---|---|---|---|
| Ti | 4.5 | 4.506 | 1.5 | 1.2 |
| Zr | 3.9 | 6.511 | 1.6 | 1.5 |
| Hf | 3.5 | 13.31 | 1.8 | 1.3 |
| Ta | 3.3 | 16.65 | 2.0 | 1.6 |
| TiZrHfTa0.5 | 4.413 | 9.339 | 1.189 | 1.137 |
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| E/GPa | 63.5 | n | 1.18 |
| G/GPa | 23.87 | m | 0.55 |
| ρ/(kg·m-3) | 9.339 | ${\stackrel{·}{\epsilon }}_{0}$ | 10-3 |
| A/MPa | 775 | Tm/K | 1893 |
| B/MPa | 1124 | εc | 0.26 |
| C | 0.68 |
表3 TiZrHfTa0.5高熵合金本构参数
Table 3 Constitutive parameters of TiZrHfTa0.5 refractory high entropy alloy
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| E/GPa | 63.5 | n | 1.18 |
| G/GPa | 23.87 | m | 0.55 |
| ρ/(kg·m-3) | 9.339 | ${\stackrel{·}{\epsilon }}_{0}$ | 10-3 |
| A/MPa | 775 | Tm/K | 1893 |
| B/MPa | 1124 | εc | 0.26 |
| C | 0.68 |
| 碎片体积/ mm3 | 速度/(m·s-1) | ||
|---|---|---|---|
| 584 | 1470 | 2500 | |
| >1 | 7 | 210 | 822 |
| 0.1~1 | 22 | 231 | 416 |
| 0.01~0.1 | 14 | 68 | 176 |
| <0.01 | 6 | 34 | 62 |
| 总计 | 49 | 543 | 1476 |
表4 各侵彻速度下碎片云中碎片数量
Table 4 Number of fragments in the debris cloud at various penetration velocities
| 碎片体积/ mm3 | 速度/(m·s-1) | ||
|---|---|---|---|
| 584 | 1470 | 2500 | |
| >1 | 7 | 210 | 822 |
| 0.1~1 | 22 | 231 | 416 |
| 0.01~0.1 | 14 | 68 | 176 |
| <0.01 | 6 | 34 | 62 |
| 总计 | 49 | 543 | 1476 |
| 速度/ (m·s-1) | 靶板碎片/ (°) | 弹丸碎片/ (°) | db,c/ mm | db/ mm |
|---|---|---|---|---|
| 584 | 24.79 | 15.35 | - | - |
| 1470 | 41.23 | 17.39 | 93.38 | 109.3 |
| 2500 | 50.02 | 31.03 | 180.43 | >170 |
表5 碎片最大飞散角统计
Table 5 Statistics of maximum scattering Angle of fragments
| 速度/ (m·s-1) | 靶板碎片/ (°) | 弹丸碎片/ (°) | db,c/ mm | db/ mm |
|---|---|---|---|---|
| 584 | 24.79 | 15.35 | - | - |
| 1470 | 41.23 | 17.39 | 93.38 | 109.3 |
| 2500 | 50.02 | 31.03 | 180.43 | >170 |
| [1] |
|
| [2] |
谢剑文, 李沛豫, 王海福, 等. 活性破片撞击油箱毁伤行为与机理[J]. 兵工学报, 2022, 43(7):1565-1577.
|
|
|
|
| [3] |
周晟, 郭萌萌, 张甲浩, 等. 活性破片作用后效靶板耦合能量分布特征[J]. 兵工学报, 2024, 45(S1):81-88.
|
|
|
|
| [4] |
|
| [5] |
|
| [6] |
|
| [7] |
刘晓俊, 任会兰, 宁建国. Zr-W多功能含能结构材料的制备及动态压缩特性[J]. 复合材料学报, 2016, 33(10):2297-2303.
|
|
|
|
| [8] |
|
| [9] |
|
| [10] |
|
| [11] |
|
| [12] |
|
| [13] |
|
| [14] |
|
| [15] |
陈海华, 张先锋, 熊玮, 等. WFeNiMo高熵合金动态力学行为及侵彻性能研究[J]. 力学学报, 2020, 52(5):1443-1453.
|
|
|
|
| [16] |
|
| [17] |
|
| [18] |
|
| [19] |
苏发章, 冀功祥, 景彤, 等. EFP模拟弹靶后碎片云特性数值模拟研究[J]. 弹箭与制导学报, 2024, 44(4):33-45, 71.
|
|
|
|
| [20] |
|
| [21] |
张周然. HfZrTiTax高熵合金含能结构材料的组织结构与力学性能研究[D]. 长沙: 国防科技大学, 2017.
|
|
|
|
| [22] |
|
| [23] |
|
| [24] |
周晟, 张甲浩, 余庆波. 金属基活性破片侵彻间隔铝靶作用行为[J]. 兵工学报, 2023, 44(8):2263-2272.
|
|
|
|
| [25] |
|
| [26] |
|
| [27] |
刘沫言. 带壳装药的破片撞击和冲击波感度研究[D]. 沈阳: 沈阳理工大学, 2020.
|
|
|
|
| [28] |
|
| [29] |
邸德宁, 陈小伟. 碎片云SPH方法数值模拟中的材料失效模型[J]. 爆炸与冲击, 2018, 38(5): 948-956.
|
|
|
|
| [30] |
|
| [31] |
|
| [1] | 凌静, 梁延祥, 敬霖. Al15(CoCrFeNi)85高熵合金的动态冲击力学响应与变形机制[J]. 兵工学报, 2025, 46(10): 250499-. |
| [2] | 张雯雯, 赵聃, 赵伟涛, 王强, 王建军, 马胜国, 张团卫, 王志华. CoCrNi系高熵合金析出强化的晶体塑性模型:力学性能及织构演化[J]. 兵工学报, 2025, 46(10): 250110-. |
| [3] | 高茂国, 刘睿, 郭岩松, 耿恒恒, 陈鹏万. HfZrTiTaAl系高熵合金动态变形、损伤及破坏行为[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231183-. |
| [4] | 刘承哲, 王海福, 张甲浩, 郑元枫. 轻质高熵合金聚能射流毁伤混凝土靶行为研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(S1): 60-69. |
| [5] | 周晟, 郭萌萌, 张甲浩, 葛超, 余庆波. 活性破片作用后效靶板耦合能量分布特征[J]. 兵工学报, 2024, 45(S1): 81-88. |
| [6] | 周晟, 张甲浩, 余庆波. 金属基活性破片侵彻间隔铝靶作用行为[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2263-2272. |
| [7] | 王在成, 徐祎, 姜春兰, 胡榕, 何政. 钨锆钛活性破片对间隔靶的毁伤效应[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3862-3871. |
| [8] | 徐瑞泽, 肖建光, 马俊杨, 安德隆, 谢志渊, 王岩鑫. 活性破片高速撞击产生等离子体的毁伤效应[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3733-3742. |
| [9] | 谢剑文,李沛豫,王海福,郑元枫. 活性破片撞击油箱毁伤行为与机理[J]. 兵工学报, 2022, 43(7): 1565-1577. |
| [10] | 李鑫, 王伟力, 梁争峰, 陈进, 陈元建. 复合结构活性破片对双层靶标毁伤效应[J]. 兵工学报, 2021, 42(4): 764-772. |
| [11] | 王海福, 郑元枫, 余庆波, 刘宗伟, 俞为民. 活性破片引燃航空煤油实验研究[J]. 兵工学报, 2012, 33(9): 1148-1152. |
| 阅读次数 | ||||||
|
全文 |
|
|||||
|
摘要 |
|
|||||
京公网安备11010802024360号 京ICP备05059581号-4