液滴射流靶向冲击试验

1零件冲击试验方法液滴射流靶向冲击试验本文件规定了飞行器零件进行液滴射流靶向冲击试验的试验目的、试验环境、试验设备仪器、试验人员、试验件、试验项目、试验条件、试验程序、试验数据录取和处理、试验数据有效性评定、试验报告等方面要求。本文件适用于使用射流模拟液滴，对飞行器零件试验件表面进行重复靶向冲击试验，并对试验件造成侵蚀或损伤的试验测试。本标准不适用于使用旋转装置法模拟的试验件因液滴的离散冲击而被侵蚀或损坏的试验测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T30789.4色漆和清漆涂层老化的评价缺陷的数量和大小以及外观均匀变化程度的标识第4部分：开裂等级的评定GB/T30789.5色漆和清漆涂层老化的评价缺陷的数量和大小以及外观均匀变化程度的标识第5部分：剥落等级的评定ASTMG73-10StandardTestMethodforLiquidImpingementErosionUsingRotatingApparatus13术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.2射流jet在高压作用下形成的圆柱状高速水团。3.1喷嘴nozzle出水口附近具备如图1所示的内腔结构，其内腔中充满水，在定向高压的作用下能产生射流的装置，通过改变喷嘴的出口直径d，可获得不同的射流等效直径。3.3射流形态jetpattern射流运动方向前缘的形状。23.4冲击参数impactparameter与射流冲击试验件表面相关的参数，包括冲击速度、射流等效直径、冲击角度、冲击频率、冲击次数。3.5冲击速度impactspeed射流头部接触试验件表面时的瞬时速度。3.6射流等效直径equivalentdiameterofjet圆柱状射流的前缘直径，用于表示球状射流模拟同等直径的球形液滴冲击。3.7冲击角度impactangle射流速度矢量与冲击表面法线的夹角。3.8冲击频率impactingfrequency试验件每秒钟受到冲击的次数。3.9损伤damage因暴露于液体冲击侵蚀中，试验件受到的任何影响，包括材料损失、表面变形或微观结构、性能以及包括外观的任何其他变化。3.10失效failure表示损伤发展的程度。在实验前应对其进行规定，对于金属或非金属材料试验件，通常是肉眼可见的任何损伤；对于表面层材料试验件，通常包括开裂、涂层或覆膜部分剥落、涂层或覆膜破坏至基材等，其他由相关方规定的损伤程度也可使用。3.11损伤阈值速度damagethresholdvelocity在给定的一组冲击参数和冲击次数下，刚达到失效条件时对应的冲击速度。3.12绝对损伤阈值速度absolutedamagethresholdvelocity对于给定的一组冲击参数，当冲击速度小于绝对损伤阈值速度时，无论冲击次数增加到多少，试验件都不会失效。3.13损伤冲击次数numberofdamageshocks在特定的一组冲击参数下，刚达到失效条件时对应的射流冲击次数。3.14材料损伤参数materialdamageparameter试验件达到失效条件后，在光学显微镜下测得损伤区域的尺寸参数，包括长度、直径、面积、深度等参数。4一般要求4.1试验目的3利用高速射流对试验件表面的靶向冲击，模拟试验件表面受到液滴冲击，并造成试验件损伤的现象。为测试试验件的耐雨滴侵蚀性质提供试验手段，为研究材料的损伤参数受冲击参数的影响提供研究方法。4.2试验环境除试验任务书有特殊规定外，试验环境条件为：温度为（23±2）℃,相对湿度为（50±10）%。4.3试验人员试验人员上岗前应经过试验设备、仪器及安全设施使用方法和安全操作规程的培训，熟练掌握试验室的业务知识，并通过相关考核。4.4试验件4.4.1试验件形状和尺寸试验件推荐形状为矩形平板，尺寸为200×100（单位为毫米），如图2所示，试验件厚度k为试验件的实际厚度，或测试时将厚度作为研究变量。注：其他由试验任务书规定、且符合试验设备和测试目的的试验件类型也可使用，例如真实的飞行器零件或带有翼型或圆柱形表面的试验件。4.4.2试验件数量试验件数量按试验任务书规定，应至少保证每个试验工况能进行三次重复实验。4.4.3试验件类型试验件类型主要有三类：a）金属材料试验件，包括纯金属和合金；b）非金属材料试验件，包括玻璃、塑料、聚合物以及各类复合材料等；c）表面层材料试验件，包括各类表面涂层材料以及表面薄膜材料等。4.4.4试验件制备4.4.4.1金属材料试验件金属试验件的制备应满足以下要求：a）试验件可从板材切割而成，试验件的切割过程应避免表面加工硬化，采用正确的加工方法确保试验件的平面度；b）所有试验件应附带合格证或质量证明文件。4.4.4.2非金属材料验件非金属材料试验件的制备应满足以下要求：a）试验件的制备应按照供应商推荐方法或符合相关方商定的要求；b）试验件的暴露表面不宜进行机械加工；c）所有试验件应附带合格证或质量证明文件。4.4.4.3表面层材料试验件表面层材料试验件的制备应满足以下要求：a）试验件由涂覆在标准化基材上的涂层或薄膜组成；4b）试验件的制备应按照供应商推荐方法或符合相关方商定的要求，包括规定的表面处理方法、固化方法和涂覆后处理方法；c）所有试验件应附带合格证或质量证明文件。4.4.5试验件安装试验件安装应满足以下要求：a）用于安装试验件夹具的设计应便于试验件的安装、调整，重复移除、清洁，撞击过程中不干涉试验件变形，不妨碍高速摄像系统的工作；b）试验件夹具应能进行角度调节，模拟不同角度的射流冲击，试验件夹具如图3所示；c）试验件四边均匀夹持，推荐使用皮筋或双面胶将试验件固定于夹具的试验件安装平面上。d）对于有角度要求的冲击试验，试验前应使用量角尺对试验件的安装角度进行测量。图3试验件夹具示意图4.4.6标识应对试验件进行标识，以相互区分，且确保可追溯性。标识不应对试验造成影响，也不应受试验影响。4.5试验项目4.5.1损伤参数受冲击速度影响试验对于冲击次数为定值的单次或多次冲击试验，每次试验仅改变冲击速度，探究损伤参数受冲击速度的影响。4.5.2损伤参数受射流等效直径影响试验对于冲击次数为定值的单次或多次冲击试验，每次试验仅改变射流等效直径，探究损伤参数受射流等效直径的影响。射流等效直径应符合ASTMG73-10的规定。4.5.3损伤参数受冲击角度影响试验对于冲击次数为定值的单次或多次冲击试验，每次试验仅改变冲击角度，探究损伤参数受冲击角度的影响。推荐常用的冲击角度有30°、60°、90°。4.5.4损伤参数受冲击频率影响试验对于连续射流靶向冲击装置模拟的多次冲击试验，每次试验仅改变冲击频率，探究损伤参数受冲击频率的影响。推荐常用的冲击频率有50Hz、100Hz、200Hz。4.5.5损伤参数受冲击次数影响试验每次试验的冲击速度、射流等效直径、冲击角度、冲击频率为一组定值，对于同一个试验件的同一个冲击位置，增加冲击次数，探究损伤参数受冲击次数的影响。4.5.6试验件损伤阈值速度测定试验每次试验将射流等效直径、冲击角度、冲击频率确定为一组定值，改变冲击速度，记录本次试验的冲击速度以及试验件刚好发生损伤的冲击次数。这个冲击速度即为测得的试验件在该冲击次数下的损伤阈值速度。55试验设备与测试仪器5.1光学显微镜放大倍数不低于50倍且具有拍照功能。5.2烘箱能控制在（50士3）℃或其他商定的温度士3℃,用于烘干试验件。5.3刻度尺全视场标定高速摄像机时精度不低于1mm。5.4测角仪安装试验件时测量试验件的受冲击角度，精度不低于1°。5.5秒表对于连续射流冲击试验，使用秒表记录试验件受冲击的时间，乘以冲击频率得到冲击次数。秒表精度要求不低于0.01s。5.6射流冲击设备5.6.1单射流靶向冲击装置5.6.1.1基本组成单射流冲击装置主要用于对试验件产生单次或少量多次的靶向冲击。单射流冲击装置主要由发射系统、射流发生装置、高速摄像机、夹具、防飞溅罩组成，可根据需求配置，如图4所示。图4单射流靶向冲击装置示意图5.6.1.2发射系统发射系统主要由空气压缩机、气室、电磁阀控、炮管等部分组成，用于发射弹托和弹丸。发射系统需满足以下要求：a）空气压缩机能力应与压力容器匹配，能在较短时间内使压力容器内达到试验所需压力；b）发射系统的气压与产生射流速度的关系应具备相应的标定曲线；c）电磁阀控应在充气过程中不漏气，在发射时保证压缩空气在瞬间全部快速通过；d）炮管内壁应保持光滑，每次试验后应进行适当清洁。5.6.1.3射流发生装置射流发生装置主要由喷嘴、橡胶圆盘和弹体组成，用于产生射流。射流发生装置需满足以下要a）喷嘴内腔精加工，粗糙度Ra值应不超过1.6μm；b）橡胶圆盘的尺寸应与喷嘴末端直径匹配，保证水不泄露；c）可根据所需的冲击速度，选择使用的弹体材质，推荐采用铝弹或铅弹；d）射流发生装置应能产生100-600m/s冲击速度的射流；6e）试验前喷嘴出水口的液面应呈微凸状，保证射流发生装置产生的射流形态尽可能接近头部为圆弧状且具有一定曲率；f）可根据所需的射流等效直径，选择使用对应出口直径的喷嘴，射流等效直径的误差应小于±5%。5.6.1.4高速摄像机高速摄像机用于记录射流头部接触试验件前的形态及冲击过程。通过前期标定，可对射流等效直径、射流冲击速度进行计算。使用高速摄像机拍摄时，拍摄帧率应不低于1×105fps，同时应使用铺助光源，确保高速摄像机能够清晰的拍摄冲击全过程。5.6.1.5防飞溅罩防飞溅罩用于防止试验时有弹脱或试验件碎片飞出，应在试验前加盖于试验件夹具周围。5.6.2连续射流靶向冲击装置5.6.2.1基本组成连续射流靶向冲击装置主要用于产生高频多次的重复冲击，其主要由高速射流发生装置、射流切割机构、高速摄像机、夹具、防飞溅罩组成。如图5所示。图5连续射流靶向冲击装置5.6.2.2高速射流发生装置高速射流发生装置应满足以下要求：a）试验中应通过调节水泵的压力旋钮，改变水压，进而改变高速射流发生装置产生射流的速度；b）射流冲击速度应在150-500m/s可调；c）高速射流发生装置产生的射流形态尽可能接近圆柱状；d）可根据所需的射流等效直径，选择使用对应出口直径的喷嘴，射流等效直径的误差应小于±5%。5.6.2.3射流切割机构射流切割机构满足以下要求：a）射流切割机构通过电机带动边缘有开孔的旋转圆盘，对水射流进行切割，形成分段射流以模拟高速雨滴；b）可根据所需的冲击频率，选择使用的电机转速或圆盘边缘开孔数，圆盘边缘开孔数推荐值为75.6.2.4高速摄像机高速摄像系统要求同5.6.1.4。5.6.2.5防飞溅罩防飞溅罩要求同5.6.1.5。6详细要求6.1试验条件6.1.1试验件状态调节试验件应在试验室标准环境下至少放置48h。6.1.2试验介质按照测试要求选择实验介质，可选用蒸馏水、自来水、盐水、人工海水或其他由相关方商定的介质。6.2试验程序6.2.1单射流靶向冲击装置6.2.1.1对待测试验件进行外观检查，对于有初始缺陷、不符合要求的试验件，应予以作废。6.2.1.2仔细清洁和干燥试验件，对于金属材料试验件的初始清洁，建议使用硬毛刷或非研磨布和合适的挥发性溶剂进行擦洗。对于非金属材料试验件及表面层材料试验件，请咨询制造商，了解首选的清洁方法。6.2.1.3根据试验任务书选定的试验项目，明确试验变量以及试验不变量。6.2.1.4设置好相关试验条件以及试验不变量。对于射流等效直径的设置，需更换好对应尺寸的喷嘴，并用高速摄像机对射流等效直径进行测试；对于冲击角度，需要预先将试验件夹具的角度调至相应状态，并用测角仪进行测量，保证试验不变量均达到目标值。6.2.1.5对射流速度进行预测试。根据发射系统气压与射流速度的标定曲线，对发射系统进行充气，待气压达到目标值，开启电磁阀，释放高压气体，触发高速摄像机，记录并测量产生射流的速度。如果射流速度的测量值与目标值相差±2%以内，即可对试验件进行冲击，否则调整气压并重新测试射流速度，直至射流速度值满足要求。6.2.1.6按照4.4.5的要求将试验件安装在夹具上，加盖防飞溅罩。6.2.1.7给发射系统充入高压气体，待气压值达到目标值，开启电磁阀，释放高压气体，触发高速摄像机，记录射流冲击过程，测量射流速度。6.2.1.8对于单次冲击试验，可跳过本步骤；对于多次冲击试验，需重复6.2.1.7，直至冲击次数达到6.2.1.9取下试验件，用光学显微镜或其他仪器测量试验件的材料损伤参数。注：对于涂层材料试验件，试验后应当按GB/T30789.4的规定测定并记录试验件的开裂等级；按GB/T30789.5的规定测定并记录试验件的剥落等级。6.2.2连续射流靶向冲击装置6.2.2.1按照6.2.1.1对待测试验件进行外观检查。6.2.2.2按照6.2.1.2对待测试验件进行清洁和干燥。6.2.1.3按照6.2.1.3对明确试验变量以及试验不变量。6.2.1.4设置好相关试验条件以及试验不变量。对于射流等效直径的设置，需更换好对应尺寸的喷嘴，并用高速摄像机对射流等效直径进行测试；对于冲击频率，需更换好对应开孔数的圆盘；对于冲击角度，需要预先将试验件夹具的角度调至相应状态，并用测角仪进行测量；保证试验不变量均达到目标值。86.2.1.5对射流速度进行预测试。开启高速射流发生装置，调节高速射流发生装置的压力旋钮，开启射流切割机构，触发高速摄像机，记录并测量产生射流的速度。如果射流速度的测量值与目标值相差±2%以内，即可对试验件进行冲击，否则继续调整压力旋钮并重新测试射流速度，直至射流速度值满足要求。6.2.1.6按照4.4.5的要求将试验件安装在夹具上，加盖防飞溅罩。6.2.1.7开启高速射流发生装置，调节高速射流发生装置的压力旋钮，开启射流切割机构，同时用秒表计时，并触发高速摄像机，记录射流冲击过程，测量射流速度。6.2.1.8待冲击次数达到试验任务书的要求，或试验件的失效到达试验任务书所规定的状态，停止试验。6.2.1.9取下试验件，用光学显微镜或其他仪器测量试验件的材料损伤参数。6.3试验数据录取和处理6.3.1损伤参数受冲击速度影响试验每次试验均保持射流等效直径、冲击角度以及冲击次数不变，记录每次试验的冲击速度、光学显微镜下观察到的损伤形貌，以及光学显微镜测量到的材料损伤参数，并将数据记录于表1。表1损伤参数受冲击速度影响试验数据记录表试验变量损伤参数损伤形貌冲击速度（m/s）直径/长度……………注：应在备注一栏注明试验中的不变量，包括射流等效直径、冲击角度以及冲击次数，对于连续射流靶向冲击装置，还应注明冲击频率。6.3.2损伤参数受射流等效直径影响试验每次试验均保持射流冲击速度、冲击角度以及冲击次数不变，记录每次试验的射流等效直径、光学显微镜下观察到的损伤形貌，以及光学显微镜测量到的材料损伤参数，并将数据记录于表2。表2损伤参数受射流等效直径影响试验数据记录表试验变量损伤参数损伤形貌射流等效直径直径/长度……………注：应在备注一栏注明试验中的不变量，包括射流冲击速度、冲击角度以及冲击次数，对于连续射流靶向冲击装置，还应注明冲击频率。6.3.3损伤参数受冲击角度影响试验每次试验均保持射流冲击速度、射流等效直径以及冲击次数不变，记录每次试验的冲击角度、光学显微镜下观察到的损伤形貌，以及光学显微镜测量到的材料损伤参数，并将数据记录于表3。9表3损伤参数受冲击角度影响试验数据记录表试验变量损伤参数损伤形貌直径/长度……………注：应在备注一栏注明试验中的不变量，包括射流冲击速度、射流等效直径以及冲击次数，对于连续射流靶向冲击装置，还应注明冲击频率。6.3.4损伤参数受冲击频率影响试验对于连续射流靶向冲击装置模拟的多次冲击试验，每次试验均保持射流冲击速度、射流等效直径、冲击角度以及冲击次数不变，记录每次试验的冲击频率、光学显微镜下观察到的损伤形貌，以及光学显微镜测量到的材料损伤参数，并将数据记录于表4。表4损伤参数受冲击频率影响试验数据记录表试验变量损伤参数损伤形貌冲击频率（Hz）直径/长度……………注：应在备注一栏注明试验中的不变量，包括射流冲击速度、射流等效直径、冲击角度以及冲击次数。6.3.5损伤参数受冲击次数影响试验每次试验均保证冲击速度、射流等效直径、冲击角度、冲击