復(fù)合材料平板抗沖擊性能試驗

1零件沖擊試驗方法復(fù)合材料平板抗沖擊性能試驗本文件規(guī)定了利用空氣炮進行復(fù)合材料平板抗沖擊性能試驗的試驗?zāi)康?、試驗環(huán)境、試驗設(shè)備儀器、試驗人員、試驗件、試驗程序、試驗數(shù)據(jù)錄取和處理、試驗數(shù)據(jù)有效性評定、試驗報告等方面要求。本文件適用于復(fù)合材料平板抗沖擊性能測試。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。HB7084-2014民用飛機結(jié)構(gòu)抗鳥撞設(shè)計與試驗通用要求3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1空氣炮gasgun由儲氣罐、發(fā)射機構(gòu)、炮管等組成，用于發(fā)射彈體撞擊試驗件。3.2彈體missilebody用于對復(fù)合材料平板試驗件造成沖擊的被拋射物，可以是明膠彈，也可以是特定形狀的金屬質(zhì)量塊。3.3沖擊姿態(tài)impactattitude彈體接觸試驗件前的運動狀態(tài)。彈體接觸試驗件前，彈體軸線與炮管軸線重合時，視為理想的沖擊姿態(tài)。3.4撞擊點impactpoint彈體質(zhì)心前進軌跡與受試復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面的交會點。3.5沖擊速度impactspeed彈體接觸被測試驗件前，彈體在運動方向上的速度。3.6穿透penetration彈體的沖擊侵徹作用使彈體完全穿過被測試驗件，且在被測試驗件的另一面完全露出。3.7剩余速度residualvelocity彈體擊穿被測試驗件后的速度。24一般要求4.1試驗?zāi)康耐ㄟ^空氣炮發(fā)射明膠彈或特定形狀的金屬質(zhì)量塊，模擬復(fù)合材料平板受到硬物沖擊的工況，以測試復(fù)合材料平板試驗件的抗沖擊性能，獲得復(fù)合材料平板試驗件的損傷特性。4.2試驗環(huán)境除試驗任務(wù)書有特殊規(guī)定外，試驗環(huán)境條件為：溫度為（23±2）℃,相對濕度為（50±10）%。4.3試驗人員試驗人員上崗前應(yīng)經(jīng)過試驗設(shè)備、儀器及安全設(shè)施使用方法和安全操作規(guī)程的培訓(xùn)，熟練掌握試驗室的業(yè)務(wù)知識，并通過相關(guān)考核。4.4試驗設(shè)備4.4.1試驗設(shè)備基本組成試驗設(shè)備主要由彈體發(fā)射系統(tǒng)、彈體、彈托、靶架系統(tǒng)、高速攝像機、夾具及溫度控制系統(tǒng)組成，溫度控制系統(tǒng)可根據(jù)試驗的溫度要求進行配置，試驗設(shè)備組成示意如圖1所示。圖1試驗系統(tǒng)示意圖4.4.2彈體發(fā)射系統(tǒng)彈體發(fā)射系統(tǒng)主要由壓氣機、壓力容器、發(fā)射機構(gòu)、炮管和彈托等部分組成，用于發(fā)射彈體和彈托，彈體發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：a）壓氣機應(yīng)能在較短時間內(nèi)使壓力容器內(nèi)達到試驗所需壓力；b）發(fā)射機構(gòu)可以是手動、電動或氣動裝置，該裝置應(yīng)在充氣過程中不漏氣，在發(fā)射時保證壓縮空氣在瞬間全部快速通過；c）炮管內(nèi)壁光滑，內(nèi)徑和長度依據(jù)彈體質(zhì)量大小、彈體射出速度以及對空氣炮的性能要求來選d）彈托為與彈體和炮膛內(nèi)壁很好匹配的圓柱形桶，彈托可用泡沫塑料或其他材質(zhì)制作；4.4.3彈體4.4.3.1明膠彈（人工鳥彈）明膠彈制作應(yīng)滿足以下要求：a）明膠彈的制作應(yīng)滿足一定的配比要求，其參數(shù)應(yīng)接近密度為900-1000kg/m3，孔隙率為10%；b）明膠彈的制作是通過將明膠溶液澆筑于模具中，脫模過程中要非常小心，保證明膠彈不至于在發(fā)射前就發(fā)生變形或破壞；3c）明膠彈的制備應(yīng)作為實驗準(zhǔn)備工作的最后一個環(huán)節(jié)，每一發(fā)彈體都使用0.5mm的聚酯膜環(huán)繞包覆，豎立儲存于冰柜中，48h內(nèi)投入使用。4.4.3.3金屬質(zhì)量塊金屬質(zhì)量塊彈體推薦采用50×50mm的方形鈦合金彈片，其尺寸可見圖2。注：其他由試驗任務(wù)書規(guī)定、且符合試驗設(shè)備和測試目的的其余形狀、尺寸金屬質(zhì)量塊也可使用。4.4.4靶架系統(tǒng)靶架系統(tǒng)主要由試驗臺、防護屏和彈體回收箱組成，用于提供試驗件安裝支承平臺和安全防護，靶架系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：a）試驗臺應(yīng)由底架和試驗件支承架兩部分組成，能夠承受較大沖擊載荷；b）試驗件支承架角度應(yīng)可調(diào)節(jié)，同時在底架上能作三維移動定位，以滿足試驗件上彈著點的選b）防護屏應(yīng)能接收校準(zhǔn)試炮時發(fā)射的彈體，同時能夠承受沖擊載荷；d）彈體回收箱內(nèi)部填充粘性材料，應(yīng)能在金屬質(zhì)量塊擊穿試驗件后將其回收。4.4.5夾具夾具的爆炸圖如圖3所示，其包含兩個相框式厚板，從前到后分別為夾具蓋板和夾具背板，夾具應(yīng)滿足以下要求：a）通過20個M10螺栓，將試驗件安裝、固定在夾具蓋板與夾具背板中間；b）螺栓應(yīng)等間距排布，所有螺栓施加相同的扭矩，且扭矩不小于25N·mc）夾具的設(shè)計應(yīng)保證試驗件邊緣的受夾寬度應(yīng)不小于試驗件寬度的1/10。44.4.6溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)用于加熱或冷卻試驗件，通常試驗溫度范圍為-50℃~550℃可調(diào)。所用設(shè)備應(yīng)能提供均勻的熱源或冷源，在規(guī)定的時間內(nèi)使試驗件達到所要求的溫度和穩(wěn)定的溫度梯度。該系統(tǒng)主要由升溫裝置、降溫裝置等組成：a）升溫裝置：可采用鋁臺金蓋罩，罩內(nèi)安裝具有一定功率的石英紅外線加熱燈管或電熱絲加熱裝置，或用電熱毯等覆蓋在試驗件表面進行加熱，也可采用試驗件自行加溫（如電加溫玻璃b）降溫裝置：可采用鋁合金蓋罩，罩內(nèi)通入液氮降溫裝置；c）若試驗件在其他高低溫箱內(nèi)加熱或冷卻，則試驗件自高低溫箱內(nèi)取出至彈體撞擊的時間間隔不應(yīng)大于2min；d）溫度控制系統(tǒng)應(yīng)能夠滿足在保溫過程中溫度波動不超過±3℃。4.5測試儀器4.5.1天平使用測量精度為彈體重量0.5%以內(nèi)的天平測量彈體的重量。4.5.2速度測量系統(tǒng)速度測量系統(tǒng)用于測量彈體實際沖擊速度，測速方法和設(shè)備有多種，本標(biāo)準(zhǔn)建議的測速方法有兩種：激光測速法或高速攝像測速法。速度測置系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：a）激光測速法以特定間隔平行放置兩股激光束，激光束的方向需與彈體運動方向垂直，通過激光束被彈體遮擋的時間計算沖擊速度；b）高速攝像測速法使用高速攝像記錄彈體運動過程，通過跟蹤彈體上某個點來測量沖擊速度；c）測速系統(tǒng)的精度應(yīng)在沖擊速度的1%以內(nèi)。4.5.3應(yīng)變測量系統(tǒng)應(yīng)變測量系統(tǒng)由應(yīng)變傳感器、超動態(tài)應(yīng)變儀、瞬態(tài)記錄儀等組成，用于測量試驗件在受撞擊過程中所產(chǎn)生的應(yīng)變。應(yīng)變測量系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：a）試驗前應(yīng)對應(yīng)變傳感器進行校準(zhǔn)并驗證其工作的可靠性；b）采用的超動態(tài)應(yīng)變儀和瞬態(tài)記錄儀應(yīng)有足夠高的響應(yīng)頻率，至少在100kHz以上；c）整個系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)定精度應(yīng)在士1%以內(nèi)，動態(tài)應(yīng)變測量精度在±10%以內(nèi)。4.5.4高速攝像系統(tǒng)高速攝像系統(tǒng)用于記錄彈體接觸試驗件前的飛行軌跡、沖擊時的姿態(tài)、撞擊點位置、接觸試驗件的時間以及沖擊后彈體運動狀態(tài)，試驗件的碎裂和碎片散布情況等。高速攝像拍攝幀率應(yīng)不低于1×104fps。同時應(yīng)使用輔助光源，確保高速攝像系統(tǒng)能夠清晰的拍攝沖擊全過程。4.6試驗件要求4.6.1試驗件尺寸及形狀試驗件應(yīng)為正方形，如圖4所示，建議試驗件的名義長度（250±0.3）mm，名義寬度為（250士0.3）mm，建議名義厚度為（8±0.3）mm，也可以根據(jù)需要，選取合適的厚度，但應(yīng)使邊長與厚度的比值不小于20。另外，需要在報告中敘述實際使用的厚度。54.6.2試驗件制備所有試驗件應(yīng)是符合生產(chǎn)圖樣和專用技術(shù)要求的合格件，并附帶合格證或質(zhì)量證明文件。試驗件的制造和加工應(yīng)符合以下要求：a）加工時應(yīng)保證試驗件平坦，表面互相平行；b）切割試驗件時應(yīng)避免由于不恰當(dāng)?shù)募庸し椒ㄒ鸬那锌?、刻痕、粗糙、分層或不平的表面；c）所有試驗件應(yīng)附帶合格證或質(zhì)量證明文件。4.6.3試驗件安裝試驗件的安裝滿足下列要求：a）試驗件應(yīng)通過夾具緊固在試驗臺上，安裝狀態(tài)應(yīng)滿足任務(wù)書/委托書要求；b）試驗件四邊均勻夾持，夾持力矩不小于25N·m，試驗件中心點應(yīng)位于彈道軌跡上；c）試驗件邊緣的受夾寬度應(yīng)不小于試驗件寬度的1/10；d）試驗件上的預(yù)定彈著點應(yīng)以炮管中軸線為基準(zhǔn)確定，靶板與出彈口距離范圍應(yīng)符合HB7084-2014的要求。4.6.4標(biāo)識應(yīng)對試驗件進行標(biāo)識，以相互區(qū)分，且確?？勺匪菪?。標(biāo)識不應(yīng)對試驗造成影響，也不應(yīng)受試驗影響。4.7試驗室要求試驗室應(yīng)設(shè)置安全防護措施，至少將炮口及試驗件部分應(yīng)放置在密閉空間內(nèi)，可安裝觀察窗和安全門，密閉空間內(nèi)的墻體應(yīng)作保護處理。4.8安全要求4.8.1在試驗期間，空氣炮的操縱和維護應(yīng)具備人身安全保護措施。4.8.2用繩索圍起或用柵欄隔開試驗場地，包括從空氣炮口到試驗臺之間適當(dāng)范圍內(nèi)的區(qū)域。4.8.3在發(fā)射之前發(fā)出警告信號，所有人員撤離現(xiàn)場。同時，安全負責(zé)人員檢查現(xiàn)場，以確保試驗場地確實沒有任何人。4.8.4試驗場內(nèi)應(yīng)有保護屏，以保護人員和設(shè)施免受撞擊后飛出碎片的損傷。4.8.5試驗結(jié)束后，應(yīng)及時清洗試驗場地，清除掉彈體及碎塊。5詳細要求5.1試驗程序5.1.1根據(jù)試驗的要求，首先安放速度測量系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)等，調(diào)試、檢查所有試驗儀器設(shè)備的運行狀態(tài)，確保測量系統(tǒng)可靠運行。65.1.2用天平測量并記錄使用的彈體的重量。5.1.3校準(zhǔn)彈速，確定壓力值。根據(jù)試驗要求的彈體和沖擊速度確定試驗所需要的壓力，并進行實彈射擊，如果實彈射擊速度與要求速度偏差超過±2%，則調(diào)整氣炮壓力再次進行實彈射擊，直至彈速偏差小于±2%。5.1.4校準(zhǔn)沖擊姿態(tài)。調(diào)整試驗室環(huán)境、彈托安裝方式及其余可能的因素，對試驗要求的彈體和沖擊姿態(tài)進行調(diào)整，直至連續(xù)兩次實彈射擊的沖擊姿態(tài)滿足要求。5.1.5校準(zhǔn)彈著點。將外形尺寸類似的模擬試驗件安裝在夾具上，使用激光或水平儀等方法，確認空氣炮瞄準(zhǔn)試驗件上的預(yù)定彈著點。將彈體放置于彈體發(fā)射系統(tǒng)，按照5.1.3確定的壓力值對設(shè)備進行參數(shù)設(shè)置，發(fā)射彈體，沖擊模擬試驗件，校準(zhǔn)彈著點。5.1.6對待測試驗件進行外觀檢查，對于有初始缺陷、不符合要求的試驗件，應(yīng)予以作廢。使用千分尺或具有同等以上精度的器具測量試驗件厚度，核對并記錄試驗件結(jié)構(gòu)。如需測量撞擊過程中試驗件的應(yīng)變，則外觀檢查后按照試驗任務(wù)書的要求在試驗件的相應(yīng)位置，按規(guī)定方向粘貼應(yīng)變片，粘貼時要排除干凈粘結(jié)層的空氣，確保粘結(jié)層的牢固度和方向的準(zhǔn)確性。5.1.7按照4.6.2的要求安裝試驗件，檢查、調(diào)整試驗件的安裝角度和安裝位置，使用激光或水平儀等方法重新校準(zhǔn)預(yù)定沖擊位置。5.1.8試驗件安裝就緒、各項準(zhǔn)備工作完成，且各測量系統(tǒng)運行正常后，對試驗件撞擊前狀態(tài)和儀器狀態(tài)進行拍照。5.1.9對于有溫度要求的沖擊試驗，需啟動溫度控制系統(tǒng)，待溫度達到目標(biāo)值，并根據(jù)試驗任務(wù)書的要求進行保溫，待達到保溫時間，撤去溫度控制箱。5.1.10向壓力容器充氣，根據(jù)5.1.3的校準(zhǔn)結(jié)果選擇合適的充氣壓力，達到壓力值時停止充氣，向各觀測人員發(fā)出準(zhǔn)備發(fā)射信號，各觀測人員確認各自所管測量儀器工作正常，則立即啟動空氣釋放裝置發(fā)射彈體，同時觸發(fā)高速攝像機以及采集系統(tǒng)。5.1.11彈體發(fā)射撞擊試驗件后，首先記錄、保存好各項試驗數(shù)據(jù)，以防止電子數(shù)字化數(shù)據(jù)的丟失，然后對撞擊后試驗件的狀態(tài)進行拍照，照片中要顯示出試驗件編號、撞擊點位置、撞擊速度等信息。5.1.12通過高速攝像系統(tǒng)記錄彈體沖擊過程；通過速度測量系統(tǒng)計算彈體沖擊速度以及剩余速度（如果穿透通過應(yīng)變采集系統(tǒng)記錄試驗件在受撞擊過程中各點所產(chǎn)生的應(yīng)變。5.1.13記錄試驗結(jié)果，目視檢查并記錄試驗件的損傷程度，檢查試驗件損壞情況。5.2試驗數(shù)據(jù)錄取和處理5.2.1試驗數(shù)據(jù)錄取復(fù)合材料平板抗沖擊性能試驗主要錄取的試驗數(shù)據(jù)應(yīng)包括：a）彈體質(zhì)量M；b）彈體沖擊速度；c）穿透試驗件的彈體剩余速度k；d）指定部位的應(yīng)變值；e）損傷部分的長度、寬度或直徑等數(shù)據(jù)。注2：c）、d）、e）條可根據(jù)需要錄取。5.2.2沖擊動能的計算沖擊動能按公式（1）計算。7式中：M——彈體質(zhì)量；Vo——彈體沖擊速度。5.2.3能量吸收率的計算能量吸收率按公式（2）計算。式中：K——彈體剩余速度；Vo——彈體沖擊速度。5.3試驗數(shù)據(jù)有效性評定以下兩種情況的試驗結(jié)果為有效試驗：a）實際撞擊點與預(yù)計撞擊點之間的偏差滿足HB7084-2019的相關(guān)要求。b）彈