液滴射流靶向沖擊試驗

1零件沖擊試驗方法液滴射流靶向沖擊試驗本文件規(guī)定了飛行器零件進行液滴射流靶向沖擊試驗的試驗目的、試驗環(huán)境、試驗設備儀器、試驗人員、試驗件、試驗項目、試驗條件、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。本文件適用于使用射流模擬液滴，對飛行器零件試驗件表面進行重復靶向沖擊試驗，并對試驗件造成侵蝕或損傷的試驗測試。本標準不適用于使用旋轉裝置法模擬的試驗件因液滴的離散沖擊而被侵蝕或損壞的試驗測試。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構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。GB/T30789.4色漆和清漆涂層老化的評價缺陷的數(shù)量和大小以及外觀均勻變化程度的標識第4部分：開裂等級的評定GB/T30789.5色漆和清漆涂層老化的評價缺陷的數(shù)量和大小以及外觀均勻變化程度的標識第5部分：剝落等級的評定ASTMG73-10StandardTestMethodforLiquidImpingementErosionUsingRotatingApparatus13術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.2射流jet在高壓作用下形成的圓柱狀高速水團。3.1噴嘴nozzle出水口附近具備如圖1所示的內腔結構，其內腔中充滿水，在定向高壓的作用下能產(chǎn)生射流的裝置，通過改變噴嘴的出口直徑d，可獲得不同的射流等效直徑。3.3射流形態(tài)jetpattern射流運動方向前緣的形狀。23.4沖擊參數(shù)impactparameter與射流沖擊試驗件表面相關的參數(shù)，包括沖擊速度、射流等效直徑、沖擊角度、沖擊頻率、沖擊次數(shù)。3.5沖擊速度impactspeed射流頭部接觸試驗件表面時的瞬時速度。3.6射流等效直徑equivalentdiameterofjet圓柱狀射流的前緣直徑，用于表示球狀射流模擬同等直徑的球形液滴沖擊。3.7沖擊角度impactangle射流速度矢量與沖擊表面法線的夾角。3.8沖擊頻率impactingfrequency試驗件每秒鐘受到?jīng)_擊的次數(shù)。3.9損傷damage因暴露于液體沖擊侵蝕中，試驗件受到的任何影響，包括材料損失、表面變形或微觀結構、性能以及包括外觀的任何其他變化。3.10失效failure表示損傷發(fā)展的程度。在實驗前應對其進行規(guī)定，對于金屬或非金屬材料試驗件，通常是肉眼可見的任何損傷；對于表面層材料試驗件，通常包括開裂、涂層或覆膜部分剝落、涂層或覆膜破壞至基材等，其他由相關方規(guī)定的損傷程度也可使用。3.11損傷閾值速度damagethresholdvelocity在給定的一組沖擊參數(shù)和沖擊次數(shù)下，剛達到失效條件時對應的沖擊速度。3.12絕對損傷閾值速度absolutedamagethresholdvelocity對于給定的一組沖擊參數(shù)，當沖擊速度小于絕對損傷閾值速度時，無論沖擊次數(shù)增加到多少，試驗件都不會失效。3.13損傷沖擊次數(shù)numberofdamageshocks在特定的一組沖擊參數(shù)下，剛達到失效條件時對應的射流沖擊次數(shù)。3.14材料損傷參數(shù)materialdamageparameter試驗件達到失效條件后，在光學顯微鏡下測得損傷區(qū)域的尺寸參數(shù)，包括長度、直徑、面積、深度等參數(shù)。4一般要求4.1試驗目的3利用高速射流對試驗件表面的靶向沖擊，模擬試驗件表面受到液滴沖擊，并造成試驗件損傷的現(xiàn)象。為測試試驗件的耐雨滴侵蝕性質提供試驗手段，為研究材料的損傷參數(shù)受沖擊參數(shù)的影響提供研究方法。4.2試驗環(huán)境除試驗任務書有特殊規(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經(jīng)過試驗設備、儀器及安全設施使用方法和安全操作規(guī)程的培訓，熟練掌握試驗室的業(yè)務知識，并通過相關考核。4.4試驗件4.4.1試驗件形狀和尺寸試驗件推薦形狀為矩形平板，尺寸為200×100（單位為毫米），如圖2所示，試驗件厚度k為試驗件的實際厚度，或測試時將厚度作為研究變量。注：其他由試驗任務書規(guī)定、且符合試驗設備和測試目的的試驗件類型也可使用，例如真實的飛行器零件或帶有翼型或圓柱形表面的試驗件。4.4.2試驗件數(shù)量試驗件數(shù)量按試驗任務書規(guī)定，應至少保證每個試驗工況能進行三次重復實驗。4.4.3試驗件類型試驗件類型主要有三類：a）金屬材料試驗件，包括純金屬和合金；b）非金屬材料試驗件，包括玻璃、塑料、聚合物以及各類復合材料等；c）表面層材料試驗件，包括各類表面涂層材料以及表面薄膜材料等。4.4.4試驗件制備4.4.4.1金屬材料試驗件金屬試驗件的制備應滿足以下要求：a）試驗件可從板材切割而成，試驗件的切割過程應避免表面加工硬化，采用正確的加工方法確保試驗件的平面度；b）所有試驗件應附帶合格證或質量證明文件。4.4.4.2非金屬材料驗件非金屬材料試驗件的制備應滿足以下要求：a）試驗件的制備應按照供應商推薦方法或符合相關方商定的要求；b）試驗件的暴露表面不宜進行機械加工；c）所有試驗件應附帶合格證或質量證明文件。4.4.4.3表面層材料試驗件表面層材料試驗件的制備應滿足以下要求：a）試驗件由涂覆在標準化基材上的涂層或薄膜組成；4b）試驗件的制備應按照供應商推薦方法或符合相關方商定的要求，包括規(guī)定的表面處理方法、固化方法和涂覆后處理方法；c）所有試驗件應附帶合格證或質量證明文件。4.4.5試驗件安裝試驗件安裝應滿足以下要求：a）用于安裝試驗件夾具的設計應便于試驗件的安裝、調整，重復移除、清潔，撞擊過程中不干涉試驗件變形，不妨礙高速攝像系統(tǒng)的工作；b）試驗件夾具應能進行角度調節(jié)，模擬不同角度的射流沖擊，試驗件夾具如圖3所示；c）試驗件四邊均勻夾持，推薦使用皮筋或雙面膠將試驗件固定于夾具的試驗件安裝平面上。d）對于有角度要求的沖擊試驗，試驗前應使用量角尺對試驗件的安裝角度進行測量。圖3試驗件夾具示意圖4.4.6標識應對試驗件進行標識，以相互區(qū)分，且確?？勺匪菪浴俗R不應對試驗造成影響，也不應受試驗影響。4.5試驗項目4.5.1損傷參數(shù)受沖擊速度影響試驗對于沖擊次數(shù)為定值的單次或多次沖擊試驗，每次試驗僅改變沖擊速度，探究損傷參數(shù)受沖擊速度的影響。4.5.2損傷參數(shù)受射流等效直徑影響試驗對于沖擊次數(shù)為定值的單次或多次沖擊試驗，每次試驗僅改變射流等效直徑，探究損傷參數(shù)受射流等效直徑的影響。射流等效直徑應符合ASTMG73-10的規(guī)定。4.5.3損傷參數(shù)受沖擊角度影響試驗對于沖擊次數(shù)為定值的單次或多次沖擊試驗，每次試驗僅改變沖擊角度，探究損傷參數(shù)受沖擊角度的影響。推薦常用的沖擊角度有30°、60°、90°。4.5.4損傷參數(shù)受沖擊頻率影響試驗對于連續(xù)射流靶向沖擊裝置模擬的多次沖擊試驗，每次試驗僅改變沖擊頻率，探究損傷參數(shù)受沖擊頻率的影響。推薦常用的沖擊頻率有50Hz、100Hz、200Hz。4.5.5損傷參數(shù)受沖擊次數(shù)影響試驗每次試驗的沖擊速度、射流等效直徑、沖擊角度、沖擊頻率為一組定值，對于同一個試驗件的同一個沖擊位置，增加沖擊次數(shù)，探究損傷參數(shù)受沖擊次數(shù)的影響。4.5.6試驗件損傷閾值速度測定試驗每次試驗將射流等效直徑、沖擊角度、沖擊頻率確定為一組定值，改變沖擊速度，記錄本次試驗的沖擊速度以及試驗件剛好發(fā)生損傷的沖擊次數(shù)。這個沖擊速度即為測得的試驗件在該沖擊次數(shù)下的損傷閾值速度。55試驗設備與測試儀器5.1光學顯微鏡放大倍數(shù)不低于50倍且具有拍照功能。5.2烘箱能控制在（50士3）℃或其他商定的溫度士3℃,用于烘干試驗件。5.3刻度尺全視場標定高速攝像機時精度不低于1mm。5.4測角儀安裝試驗件時測量試驗件的受沖擊角度，精度不低于1°。5.5秒表對于連續(xù)射流沖擊試驗，使用秒表記錄試驗件受沖擊的時間，乘以沖擊頻率得到?jīng)_擊次數(shù)。秒表精度要求不低于0.01s。5.6射流沖擊設備5.6.1單射流靶向沖擊裝置5.6.1.1基本組成單射流沖擊裝置主要用于對試驗件產(chǎn)生單次或少量多次的靶向沖擊。單射流沖擊裝置主要由發(fā)射系統(tǒng)、射流發(fā)生裝置、高速攝像機、夾具、防飛濺罩組成，可根據(jù)需求配置，如圖4所示。圖4單射流靶向沖擊裝置示意圖5.6.1.2發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、氣室、電磁閥控、炮管等部分組成，用于發(fā)射彈托和彈丸。發(fā)射系統(tǒng)需滿足以下要求：a）空氣壓縮機能力應與壓力容器匹配，能在較短時間內使壓力容器內達到試驗所需壓力；b）發(fā)射系統(tǒng)的氣壓與產(chǎn)生射流速度的關系應具備相應的標定曲線；c）電磁閥控應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；d）炮管內壁應保持光滑，每次試驗后應進行適當清潔。5.6.1.3射流發(fā)生裝置射流發(fā)生裝置主要由噴嘴、橡膠圓盤和彈體組成，用于產(chǎn)生射流。射流發(fā)生裝置需滿足以下要a）噴嘴內腔精加工，粗糙度Ra值應不超過1.6μm；b）橡膠圓盤的尺寸應與噴嘴末端直徑匹配，保證水不泄露；c）可根據(jù)所需的沖擊速度，選擇使用的彈體材質，推薦采用鋁彈或鉛彈；d）射流發(fā)生裝置應能產(chǎn)生100-600m/s沖擊速度的射流；6e）試驗前噴嘴出水口的液面應呈微凸狀，保證射流發(fā)生裝置產(chǎn)生的射流形態(tài)盡可能接近頭部為圓弧狀且具有一定曲率；f）可根據(jù)所需的射流等效直徑，選擇使用對應出口直徑的噴嘴，射流等效直徑的誤差應小于±5%。5.6.1.4高速攝像機高速攝像機用于記錄射流頭部接觸試驗件前的形態(tài)及沖擊過程。通過前期標定，可對射流等效直徑、射流沖擊速度進行計算。使用高速攝像機拍攝時，拍攝幀率應不低于1×105fps，同時應使用鋪助光源，確保高速攝像機能夠清晰的拍攝沖擊全過程。5.6.1.5防飛濺罩防飛濺罩用于防止試驗時有彈脫或試驗件碎片飛出，應在試驗前加蓋于試驗件夾具周圍。5.6.2連續(xù)射流靶向沖擊裝置5.6.2.1基本組成連續(xù)射流靶向沖擊裝置主要用于產(chǎn)生高頻多次的重復沖擊，其主要由高速射流發(fā)生裝置、射流切割機構、高速攝像機、夾具、防飛濺罩組成。如圖5所示。圖5連續(xù)射流靶向沖擊裝置5.6.2.2高速射流發(fā)生裝置高速射流發(fā)生裝置應滿足以下要求：a）試驗中應通過調節(jié)水泵的壓力旋鈕，改變水壓，進而改變高速射流發(fā)生裝置產(chǎn)生射流的速度；b）射流沖擊速度應在150-500m/s可調；c）高速射流發(fā)生裝置產(chǎn)生的射流形態(tài)盡可能接近圓柱狀；d）可根據(jù)所需的射流等效直徑，選擇使用對應出口直徑的噴嘴，射流等效直徑的誤差應小于±5%。5.6.2.3射流切割機構射流切割機構滿足以下要求：a）射流切割機構通過電機帶動邊緣有開孔的旋轉圓盤，對水射流進行切割，形成分段射流以模擬高速雨滴；b）可根據(jù)所需的沖擊頻率，選擇使用的電機轉速或圓盤邊緣開孔數(shù)，圓盤邊緣開孔數(shù)推薦值為75.6.2.4高速攝像機高速攝像系統(tǒng)要求同5.6.1.4。5.6.2.5防飛濺罩防飛濺罩要求同5.6.1.5。6詳細要求6.1試驗條件6.1.1試驗件狀態(tài)調節(jié)試驗件應在試驗室標準環(huán)境下至少放置48h。6.1.2試驗介質按照測試要求選擇實驗介質，可選用蒸餾水、自來水、鹽水、人工海水或其他由相關方商定的介質。6.2試驗程序6.2.1單射流靶向沖擊裝置6.2.1.1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，應予以作廢。6.2.1.2仔細清潔和干燥試驗件，對于金屬材料試驗件的初始清潔，建議使用硬毛刷或非研磨布和合適的揮發(fā)性溶劑進行擦洗。對于非金屬材料試驗件及表面層材料試驗件，請咨詢制造商，了解首選的清潔方法。6.2.1.3根據(jù)試驗任務書選定的試驗項目，明確試驗變量以及試驗不變量。6.2.1.4設置好相關試驗條件以及試驗不變量。對于射流等效直徑的設置，需更換好對應尺寸的噴嘴，并用高速攝像機對射流等效直徑進行測試；對于沖擊角度，需要預先將試驗件夾具的角度調至相應狀態(tài)，并用測角儀進行測量，保證試驗不變量均達到目標值。6.2.1.5對射流速度進行預測試。根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)氣壓與射流速度的標定曲線，對發(fā)射系統(tǒng)進行充氣，待氣壓達到目標值，開啟電磁閥，釋放高壓氣體，觸發(fā)高速攝像機，記錄并測量產(chǎn)生射流的速度。如果射流速度的測量值與目標值相差±2%以內，即可對試驗件進行沖擊，否則調整氣壓并重新測試射流速度，直至射流速度值滿足要求。6.2.1.6按照4.4.5的要求將試驗件安裝在夾具上，加蓋防飛濺罩。6.2.1.7給發(fā)射系統(tǒng)充入高壓氣體，待氣壓值達到目標值，開啟電磁閥，釋放高壓氣體，觸發(fā)高速攝像機，記錄射流沖擊過程，測量射流速度。6.2.1.8對于單次沖擊試驗，可跳過本步驟；對于多次沖擊試驗，需重復6.2.1.7，直至沖擊次數(shù)達到6.2.1.9取下試驗件，用光學顯微鏡或其他儀器測量試驗件的材料損傷參數(shù)。注：對于涂層材料試驗件，試驗后應當按GB/T30789.4的規(guī)定測定并記錄試驗件的開裂等級；按GB/T30789.5的規(guī)定測定并記錄試驗件的剝落等級。6.2.2連續(xù)射流靶向沖擊裝置6.2.2.1按照6.2.1.1對待測試驗件進行外觀檢查。6.2.2.2按照6.2.1.2對待測試驗件進行清潔和干燥。6.2.1.3按照6.2.1.3對明確試驗變量以及試驗不變量。6.2.1.4設置好相關試驗條件以及試驗不變量。對于射流等效直徑的設置，需更換好對應尺寸的噴嘴，并用高速攝像機對射流等效直徑進行測試；對于沖擊頻率，需更換好對應開孔數(shù)的圓盤；對于沖擊角度，需要預先將試驗件夾具的角度調至相應狀態(tài)，并用測角儀進行測量；保證試驗不變量均達到目標值。86.2.1.5對射流速度進行預測試。開啟高速射流發(fā)生裝置，調節(jié)高速射流發(fā)生裝置的壓力旋鈕，開啟射流切割機構，觸發(fā)高速攝像機，記錄并測量產(chǎn)生射流的速度。如果射流速度的測量值與目標值相差±2%以內，即可對試驗件進行沖擊，否則繼續(xù)調整壓力旋鈕并重新測試射流速度，直至射流速度值滿足要求。6.2.1.6按照4.4.5的要求將試驗件安裝在夾具上，加蓋防飛濺罩。6.2.1.7開啟高速射流發(fā)生裝置，調節(jié)高速射流發(fā)生裝置的壓力旋鈕，開啟射流切割機構，同時用秒表計時，并觸發(fā)高速攝像機，記錄射流沖擊過程，測量射流速度。6.2.1.8待沖擊次數(shù)達到試驗任務書的要求，或試驗件的失效到達試驗任務書所規(guī)定的狀態(tài)，停止試驗。6.2.1.9取下試驗件，用光學顯微鏡或其他儀器測量試驗件的材料損傷參數(shù)。6.3試驗數(shù)據(jù)錄取和處理6.3.1損傷參數(shù)受沖擊速度影響試驗每次試驗均保持射流等效直徑、沖擊角度以及沖擊次數(shù)不變，記錄每次試驗的沖擊速度、光學顯微鏡下觀察到的損傷形貌，以及光學顯微鏡測量到的材料損傷參數(shù)，并將數(shù)據(jù)記錄于表1。表1損傷參數(shù)受沖擊速度影響試驗數(shù)據(jù)記錄表試驗變量損傷參數(shù)損傷形貌沖擊速度（m/s）直徑/長度……………注：應在備注一欄注明試驗中的不變量，包括射流等效直徑、沖擊角度以及沖擊次數(shù)，對于連續(xù)射流靶向沖擊裝置，還應注明沖擊頻率。6.3.2損傷參數(shù)受射流等效直徑影響試驗每次試驗均保持射流沖擊速度、沖擊角度以及沖擊次數(shù)不變，記錄每次試驗的射流等效直徑、光學顯微鏡下觀察到的損傷形貌，以及光學顯微鏡測量到的材料損傷參數(shù)，并將數(shù)據(jù)記錄于表2。表2損傷參數(shù)受射流等效直徑影響試驗數(shù)據(jù)記錄表試驗變量損傷參數(shù)損傷形貌射流等效直徑直徑/長度……………注：應在備注一欄注明試驗中的不變量，包括射流沖擊速度、沖擊角度以及沖擊次數(shù)，對于連續(xù)射流靶向沖擊裝置，還應注明沖擊頻率。6.3.3損傷參數(shù)受沖擊角度影響試驗每次試驗均保持射流沖擊速度、射流等效直徑以及沖擊次數(shù)不變，記錄每次試驗的沖擊角度、光學顯微鏡下觀察到的損傷形貌，以及光學顯微鏡測量到的材料損傷參數(shù)，并將數(shù)據(jù)記錄于表3。9表3損傷參數(shù)受沖擊角度影響試驗數(shù)據(jù)記錄表試驗變量損傷參數(shù)損傷形貌直徑/長度……………注：應在備注一欄注明試驗中的不變量，包括射流沖擊速度、射流等效直徑以及沖擊次數(shù)，對于連續(xù)射流靶向沖擊裝置，還應注明沖擊頻率。6.3.4損傷參數(shù)受沖擊頻率影響試驗對于連續(xù)射流靶向沖擊裝置模擬的多次沖擊試驗，每次試驗均保持射流沖擊速度、射流等效直徑、沖擊角度以及沖擊次數(shù)不變，記錄每次試驗的沖擊頻率、光學顯微鏡下觀察到的損傷形貌，以及光學顯微鏡測量到的材料損傷參數(shù)，并將數(shù)據(jù)記錄于表4。表4損傷參數(shù)受沖擊頻率影響試驗數(shù)據(jù)記錄表試驗變量損傷參數(shù)損傷形貌沖擊頻率（Hz）直徑/長度……………注：應在備注一欄注明試驗中的不變量，包括射流沖擊速度、射流等效直徑、沖擊角度以及沖擊次數(shù)。6.3.5損傷參數(shù)受沖擊次數(shù)影響試驗每次試驗均保證沖擊速度、射流等效直徑、沖擊角度、沖擊