TCSCM01-2023民用航空发动机风扇包容机匣复合材料冲击侵彻抗性试验方法

T/CSCM01-2023

民用航空发动机风扇包容机匣复合材料冲击侵彻抗性试验方法

1范围

本标准规定了一种使用特定夹持方式，通过发射钛合金弹片冲击聚合物基复合材料平板，从而获取

其冲击侵彻抗性的测试方法，包括试验设备、试验条件、试件及冲击物、试验步骤、计算和试验报告等

技术要求。本试验方法可评价聚合物基复合材料抵抗硬物侵彻的能力，可以用于为民用航空发动机包容

机匣评价不同方案的聚合物基复合材料。其他类似的应用也可参照本方法。

本标准适用于聚合物基复合材料硬物冲击侵彻抗性测试，聚合物基复合材料包括单向、二维和三维

连续纤维增强复合材料等。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文

件。凡是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/T1446纤维增强塑料性能试验方法总则

3原理

根据民用航空发动机风扇包容机匣的包容载荷特点，加速一个刚性的正方形平板弹片冲击物至某个

速度，冲击一块复合材料平板试件。根据冲击物的动能，冲击侵彻效应可能使被测试件被冲击物穿透，

也可能不会被穿透。获取被测试件穿透概率为50%时的动能，或者从不穿透到穿透的动能区间，用于

评价被测试件的冲击侵彻抗性。

4术语和定义

4.1本标准专用术语定义

4.2.1冲击速度

冲击物接触被测试件前，冲击物在运动方向上的速度。

4.2.2冲击角

冲击物接触被测试件前，冲击速度的方向与被测试件表面的夹角（见图1）。

学兔兔4.2.3俯仰角标准下载

冲击物接触被测试件前，冲击物正方形表面与被测试件法向的夹角（见图1）。

4.2.4滚转角

冲击物接触被测试件前，冲击物正方形表面与被测试件指定方向的夹角（见图2）。该指定方向是

指：复合材料用于机匣时，与机匣轴向垂直的材料方向。

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4.2.5偏转角

冲击物接触被测试件前，冲击物特定长方形表面与被测试件法向的夹角（见图3）。该长方形表面

特指发射前与冲击方向平行的表面。

图1冲击角与俯仰角

学兔兔图2滚转角标准下载

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图3偏转角

4.2.6穿透

冲击物的冲击侵彻作用使冲击物完全穿过被测试件，且在被测试件的另一面完全露出。

4.2.7穿透概率

某一冲击速度下发生穿透的概率。

4.2.8概率冲击侵彻抗性

穿透概率为50%时冲击物的动能。

4.2.9冲击侵彻抗性临界区间

所有未发生穿透的测试中的最大冲击物动能，与所有发生穿透的测试中的最小冲击物动能所组成的

区间。

4.2.10剩余速度

冲击物刚穿透被测试件时的速度。

5测试设备

5.1千分尺

学兔兔应该用带有4mm7直径球形触面的千分尺，测量试件厚度。测量试件标准下载边长，仪器精度应在被测尺

寸的1%以内。

5.2天平或重量称

应使用测量精度为试件重量0.5%以内的天平或称测量试件的重量。

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5.3冲击物加速装置

该装置的作用是：加速冲击物，并使其自由飞行冲击试件，且需要在足够高的速度下依旧能保持冲

击物速度和角度的可重复性。一般来说，能实现以上功能的装置都可用于本标准涉及的冲击试验。冲击

物的加速方式将影响冲击速度和角度的可重复性。可重复性较差时，需要更多测试才能获得有效的评价

结果。该装置的设计方案应能减少冲击物沿轴向的转动。最常用的装置是单级压缩空气炮，其一般由压

力舱、释压阀以及瞄向试件的炮管组成。出于安全考虑，试件应该放置到密闭但可以释放气体压力的空

间内。炮口与试件之间应设有至少0.5m长的距离，以开展速度和角度的测量。图4是该装置的示意图。

图4一种用于发射冲击物测试复合材料板的空气炮示意图

5.4冲击物

为体现复合材料风扇包容机匣受风扇叶片的冲击特点，本标准推荐使用的冲击物为TC4钛合金正方

形弹片，其尺寸可见图5。除非能够证明冲击物在试验中未发生损伤，否则冲击物不能重复使用。

学兔兔图5钛合金弹片尺寸（单位：mm）标准下载

5.5夹具

冲击测试夹具的爆炸图如图6所示，其包含两个相框式厚板，从前往后分别为盖板和背板。通过12

个M10精密螺栓，把被测试件安装、固定在盖板与背板中间。盖板与背板采用结构钢，尺寸见图7与图8。

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在满足图中所示的最小尺寸要求的前提下，盖板的外轮廓可根据测试现场情况进行调整。背板的外轮廓

尺寸应不小于盖板的外轮廓尺寸。

螺栓材料的抗拉强度至少为965MPa。所有螺栓施加相同扭矩，扭矩不小于25N·m。

图6冲击测试夹具爆炸图

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图7盖板（单位mm）

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图8背板（单位mm）

5.6速度测量

应使用适当的设备测量冲击速度。测速方法和设备有多种，但应根据希望的测量精度选择一种合适

的。激光测速法是建议使用的一种速度测量手段。该方法以特定间隔平行放置两股激光束，通过激光束

被冲击物遮挡的时间计算冲击速度。激光束的方向需与冲击物运动方向垂直。高速摄像测速法是另一种

建议的速度测量方式。该方法使用高速摄像记录冲击物运动过程，通过跟踪冲击物上某个点来测量冲击

速度。

测速系统的精度应在冲击速度的1%以内，确认速度测量精度的方式由测试的需求方指定。

5.7角度测量

试验的名义冲击角为90，名义的俯仰角、滚转角、偏转角均为0。实际测试时，这4个角度的偏差

在5以内，试验方为有效。

应使用适当设备测量以上4个角度，并在报告中说明测量精度。例如，可以使用两台经过标定的高

学兔兔速摄像机以及数字图像关联系统。标准下载

测试的需求方应明确角度测量所需的精度，并指定确认角度测量精度的方式。

5.8冲击位置测量

冲击物实际冲击的位置是试件的几何中心，试验方为有效。应使用工具测量实际冲击位置与试件中

心的位置，例如标准钢卷尺。测量精度应在0.1mm以内。

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6取样和试件

6.1取样

每种测试条件下，推荐以不同的冲击速度至少测试6个试件，使至少有2次测试，试件被冲击物穿透，

且至少有2次测试，试件未被冲击物穿透。由于材料和测试上的统计偏差，可能出现某些发生穿透的测

试的动能低于某些未发生穿透的测试。对此，推荐开展足够测试，使所有测试中有至少两次穿透测试的

动能，以及至少两次非穿透测试的动能，与这四者中最小值的差异不超过其最小值的20%。

6.2几何形状

试件为正方形（图9）。试件的名义长度250±0.3mm，名义宽度为250±0.3mm，建议名义厚度为8

±0.3mm。可以根据需要，选取合适的厚度，但应使边长与厚度的比值不小于20。另外，需要在报告中

叙述实际使用的厚度。

图9试件尺寸（单位：mm）

6.3试件制备

应当按照GB/T1446制造和加工试件。

6.3.1试板制造

试板应表面平整且厚度均匀，不允许有纤维损伤。报告中应给出试板的制造方法

6.3.2试件制备

所有试件应附带合格证或质量证明文件。应当采用正确的加工方法确保试件的平直度和平行度，试

件的制造和加工应符合以下要求：

学兔兔a)加工时应保证试件平坦，表面互相平行；标准下载

b)切割试件时应避免由于不恰当的加工方法引起的切口、刻痕、粗糙、分层或不平的表面；

c)记录并报告制备试件的切割方法。

6.3.2标识

应对试件进行标识，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。

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7标定

所有测量仪器的精度应有标定证书，并在仪器有效使用期内。

8吸湿处理

除非需求方另有规定，推荐附录A方法对进行吸湿平衡处理。测试报告中应该包含吸湿处理的条件，

以及吸湿量的信息。如果未开展吸湿处理，在测试报告中，应记录为“未吸湿”，吸湿量为“未知”。

9试验步骤

9.1试验前规定的参数包括：

a)记录试件材料，铺层信息/纤维结构（若有），几何尺寸，厚度，重量；

b)记录密度、纤维体积分数以及相应的测量方法（若已测量）；

c)记录吸湿处理参数（若需）；

d)记录冲击物的材料、重量和形状；

e)根据经验或文献数据，确定初始冲击速度；若无参考数据，可取较高的初始冲击速度使试件被穿

透，随后根据冲击物的剩余动能确定后续冲击速度；

f)记录所有测速设备的型号，位置；若使用高速摄像法测速，应记录高速摄像机的帧率和分辨率；

g)通过十字线标识出试件的几何中心，标识过程不能对试件造成损伤。

9.2一般步骤

a)报告与本试验方法不同的任何差别，不管是有意的或者是无意的。

b)若需要使用无损检测方法评估冲击损伤，应在试件完成最终加工后，开始吸湿处理前，开展作为

基准的无损检测，识别冲击前已存在的缺陷。

c)按要求开展吸湿处理。若测试环境与吸湿处理环境不一致，应按附录A的要求储存试件，试验时

再取出。

d)试验开始前，在试件冲击区的四个不同位置测量试件厚度，取其平均值作为试件厚度，并做记录；

测量精度应在被测尺寸的1%以内，以mm为单位，记录小数点后三位有效数字。

9.3测试环境

若可能，应使测试环境与吸湿处理的环境一致。或在无法保持一致时，从吸湿处理环境中取出试件，

到完成试验，必须存放在附录A规定的试样袋中，并在3天内完成试验。在报告中记录实际的测试环境。

9.4试件安装

借助钢尺确定试件的几何中心，并以几何中心为基准标识出试件的安装边界。借助夹具上的标识线、

学兔兔试件上的边界标识线安装试件，使试件几何中心对准盖板的几何中心。使标准下载用扭矩扳手分3次拧紧螺栓：

首次使用最终扭矩的40%拧紧所有螺栓；再用最终扭矩的70%拧紧所有螺栓；最后，再用最终扭矩拧紧所

有螺栓。最终扭矩应保证螺栓预紧力为螺栓材料屈服强度的50-60%，记录所使用的扭矩。做好标识工作

和记录工作，应能追溯各次测试对应的试件。

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9.5试验器准备

使用激光、镜子、水平仪等方法，确认空气炮或加速装置瞄准了试件中心，且方向与试件法向对齐。

测量并记录使用的冲击物的重量，以g为单位，精确到小数点后1位有效数字。随后将冲击物放置于加速

装置中，设置能达到指定测试速度的参数。

9.6测量装置准备

确保所有的相机和记录设备已处于触发状态。

9.7冲击

所有测试人员进入安全防护区域，远程触发发射冲击物。

9.8数据记录

储存所有的相机信息和其他记录数据。

9.9损伤

记录冲击物是否穿透被测试件，拍照记录试件在装夹状态下的损伤情况。

9.10冲击位置

识别冲击的中心位置，测量并记录其与试件中心的相对位置。

9.11速度

计算并记录冲击速度和角度。计算方法根据使用的测速设备而定。

10有效性

若实际冲击位置的中心与试件几何中心的位置相差超过20mm，该次试验无效。

若冲击角、俯仰角、滚转角、偏转角中任一角度的偏差大于5°，该次试验无效。

不同材料的失效模式差异会影响对试验结果的评估。若出现延伸到被测试件边界的大范围损伤，该

次试验无效。

11数据处理

11.1冲击动能

用公式(1)计算每次冲击的动能Ei。

2

Ei=MVi/2........................................................................公式（1）

学兔兔式中：标准下载

Ei——冲击动能，J；

M——冲击物重量，g；

Vi——冲击速度，m/s；

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11.2穿透概率

用公式（2）计算穿透概率p。

p=exp(b0+b1X)/(1+exp(b0+b1X))....................................................公式（2）

式中：

X——冲击动能；

b0和b1——回归系数，需要用数值方法求解。

为保证不同测试单位间的一致性，推荐使用以下方法求解b0和b1。

...........................................公式（3）

..........................................公式（4）

式中：

Xi为单次试验的动能，Yi为该次试验的结果（0或1，分别对应“穿透”和“非穿透”两种情况）。

11.3冲击侵彻抗性

11.3.1概率冲击侵彻抗性

公式（2）中，使p=0.5时的X，即概率冲击侵彻抗性Xp。

11.3.1冲击侵彻抗性临界区间

所有测试按公式（1）计算冲击物动能，发生穿透的最小动能Ea，与不发生穿透的最大动能Eb，其组

成的区间就是冲击侵彻抗性临界区间。

12报告

报告中应包含以下内容：

a)本标准号和版次号。

b)试验时间与地点、试验人员姓名。

c)任何与本标准不同之处、试验中出现的异常情况以及设备问题。

d)若要求，所有涉及的组分和材料信息，包括：材料标准、材料类型、制造商材料编号、制造商批

号（炉号）、来源（如果不是来自制造商）、合格证有效时间、纤维直径、纱线规格、纱线捻度、纱线

角度、上浆剂、形式（如角度铺层、机织、编织）、面密度、基体类型、基体含量、挥发物含量。

e)描述平板制造过程，包括：制造起止时间、工艺标准、固化循环、固化方式，以及制造所使用的

学兔兔设备。标准下载

f)描述纤维结构，或纤维铺放顺序。

g)平板的任何无损检测评估的结果。

h)若要求，报告检测密度、纤维体积分数、空隙的方法。

i)试件的制备方法，包括标识方法、试件尺寸、取样方法、试件切割和机加方法。

j)测试装置、数据采集装置的型号与配置，数据采集速率。

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k)速度测量的方式、装置、关键参数。

l)每个试件的实测尺寸（若有吸湿处理，调节前后均需测量）。

m)实测或者计算每个试件的面密度，计算应采用实际测量的密度和厚度。

n)吸湿处理的参数和结果。

o)环境状态描述，包括：实验室或环境箱（如果使用）的相对湿度和温度。

p)测试的试件数目。

q)冲击物和试件的重量，测量重量所用的天平和称的类型、测量精度。

r)冲击物的几何尺寸。

s)冲击速度和剩余速度（若有），以及速度测量装置的精度，计算得到的冲击能量。

t)冲击前，冲击物的方向，以及方向测量装置的精度。

u)实际冲击点相对于试件中心的位置，以及测量该位置的装置的精度。

v)试件损伤状态的描述和照片。

w)11节中的计算结果，包括穿透概率、回归系数等统计分析结果。

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附录A

（资料性附录）

试件吸湿处理方法

A.1概述

本附录推荐了三种方法，使冲击试件在测试前达到有效吸湿平衡状态，即：在规定的时间间隔

内，试件吸湿重量只存在规定的微小变化。方法一将试件放置于规定温度与湿度的非实验室、稳态环境

中，直到试件达到有效吸湿平衡。方法二将试件放置于标准实验室大气环境下（规定温度和50%相对

湿度），直到试件达到有效吸湿平衡。方法三为烘干，将试件放置于规定温度的热空气循环的烘箱中，

直到试件达到有效吸湿平衡。

A.2设备

A.2.1天平

应具有分析天平，测量精度在试件重量的0.02%以内。

A.2.2烘箱

烘箱的温度控制精度应在±3℃以内。带有真空烘干功能的烘箱可显著缩短达到吸湿平衡所需

的时长。

A.2.3环境箱

环境箱的温度控制精度应在±3℃以内，可实现自动连续监测或人工定期监测。推荐使用蒸汽

环境箱，其温度和湿度应可控制，相对湿度的控制精度在±3%以内。

A.2.4干燥器

从烘箱转移试件到实验环境时，应放置于干净、干燥的干燥器中。

A.2.5试件袋

从环境箱中取出的试件，应放置于密封、柔软、防潮的袋子（或其他合适的密封容器）。其材

质应适用于处理从环境箱中取出的试件。

A.2.6吸水布

用于擦拭试件表面水分的吸水布应干净、无纤维。

A.2.7手套

处理试件时应使用干净、无纤维的手套。

学兔兔A.3步骤标准下载

A.3.1处理前应明确的参数

a）吸湿处理方法。

b）天平的测量精度。

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c）环境箱、烘箱的温度，如果有多个阶段，各阶段的都需确定并记录。

d）明确吸湿的类型和相对湿度。

e）明确称重的时间间隔。

A.3.2有效吸湿平衡的定义

如果需求方没有要求，当连续两次称重测得的吸湿率的变化小于0.02%时，可认为试件达到了

吸湿平衡。

A.3.3一般步骤

a）报告与本吸湿处理方法不同的任何差别，不管是有意的或者是无意的。

b）因采取措施，防止气流、振动等因素对天平测量精度的影响。

c）处理试件时应佩戴干净、无纤维的手套。

d）试件的两个表面都应暴露在吸湿环境中，试件之间应有足够的间隔保证蒸汽的流通。

e）称重时注意去除附加材料（若有，如标签纸、边缘密封材料等）的重量。

A.3.4方法一——非实验室环境中的吸湿

a）预处理——按需求方要求（若有）开展预处理，例如，使用方法三对试件进行干燥处理。

b）初始称重——测量并记录试件的初始重量，作为基准重量Wb。

c）吸湿处理——将试件放置于已达到稳定状态的环境箱中。如需求方没有指定温度，推荐采

用70℃。如需求方没有指定湿度，推荐采用85%相对湿度。

d）称重——在每个称重时间间隔结束时，将试件从环境箱中取出，放置在试件袋中并封严；

使试件冷却至可操作温度，随后将试件从袋子中取出（若袋子里还有其他试件，应该重新封严）；使用

无纤维吸水布擦干试件的表面水分后，马上对试件进行称重，保证称重精度。记录每次的测量值，Wi，

记录总时长和距离上次称重的时间间隔；称重完以后将试件放回试件袋中，或者直接放回环境箱中。每

次称重，试件离开环境箱的时间不超过30分钟，离开样品袋的时间不超过5分钟。

e）重量变化——计算并记录每次称重时重量变化率，如公式（A.1）。

f）处理时长——若需求方未指定处理时长，推荐使用以下方法之一：

（1）按指定间隔称重并记录，直到试件达到A3.2定义的有效吸湿平衡。

（2）指定吸湿处理的时长，不论是否达到有效吸湿平衡。

（3）监测试件的吸湿量，直到试件达到指定的吸湿量。

g）状态监测——若需求方未指定状态监测的要求，推荐使用以下方法之一。

（1）初始称重+最终称重：在初始称重后，试件在经历指定吸湿处理时长后再称重；适用

于指定吸湿处理时长的处理方法。

（2）定期称重：按指定时间间隔，对试件进行称重；适用于需要达到有效吸湿平衡或指定

吸湿量的处理方法。

h）保存处理后的试件——根据处理时长的不同，采用对应的方式保存试件。

学兔兔（1）对于要求达到吸湿平衡的试件，可继续在环境箱中留存最标准下载多2周（或按需求方要求的

时长），但需要继续定期称重，直到测试；也可把试件存放在符合要求的试件袋中最多

两周（或按需求方要求的时长）；如果需求方未做要求，可以接受在试件袋中放置不与

试件直接接触的湿布。

（2）对于指定吸湿处理时长的试件，可继续在环境箱中留存最多3天（或按需求方要求的

时长）；也可把试件存放在符合要求的试件袋中最多两周（或按需求方要求的时长）；如

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果需求方未做要求，可以接受在试件袋中放置不与试件直接接触的湿布。

（3）对于指定吸湿量的试件，当达到指定吸湿量后，应立即从环境箱中取出，保存在符合

要求的试件袋中最多2周（或按需求方要求的时长）。

A.3.5方法二——标准环境中的吸湿（50%湿度）

a）初始称重——测量并记录试件的初始重量，作为基准重量Wb。

b）吸湿处理——将试件放置于已达到稳定状态的环境箱中，环境箱中的相对湿度为50%。如

需求方没有指定温度，推荐采用70℃。

c）称重——在每个称重时间间隔结束时，将试件从环境箱中取出，放置在试件袋中并封严；

使试件冷却至可操作温度，随后将试件从袋子中取出（若袋子里还有其他试件，应该重新封严）；使用

无纤维吸水布擦干试件的表面水分后，马上对试件进行称重，保证称重精度。记录每次的测量值，Wi，

记录总时长和距离上次称重的时间间隔；称重完以后将试件放回试件袋中，或者直接放回环境箱中。每

次称重，试件离开环境箱的时间不超过30分钟，离开样品袋的时间不超过5分钟。

d）处理时长——按指定间隔（不要求定期）称重并记录，直到试件达到A4.2定义的有效吸湿

平衡。

e）保存处理后的试件——处理后的试件放置在标准实验室环境中保存，直到完成测试。

A.3.6方法三——烘箱干燥

a）初始称重——测量并记录试件的初始重量，作为基准重量Wb。

b）干燥处理——将放置于标准实验室环境（用于湿度控制）的烘箱加热到指定的烘干温度，

随后在烘箱内放置试件。

c）称重——在每个称重时间间隔结束时，将试件从环境箱中取出，放置在干燥器中冷却；待

冷却到可操作的温度后，将试件从干燥器中取出；使用无纤维吸水布擦干试件的表面水分后，马上对试

件进行称重，保证称重精度。记录每次的测量值，Wi，记录总时长和距离上次称重的时间间隔；称重完

以后将试件放回干燥器中，或者直接放回环境箱中。每次称重，试件离开环境箱的时间不超过30分钟，

离开样品袋的时间不超过5分钟。

d）处理时长——按指定间隔（不要求定期）称重并记录，直到试件达到A4.2定义的有效吸湿

平衡。

e）保存处理后的试件——处理后的试件放置在干燥器中冷却与保存。

A.4数据处理

A.4.1吸湿/脱湿率（重量变化百分比）

按照以下公式计算吸湿或脱湿重量变化百分比，保留3位小数：

公式（A.1）

学兔兔式中：标准下载

Wb——基准重量，单位为g；

Wi——当前试件重量，单位为g；

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A.5报告

A.5.1报告内容

应报告以下信息：

a）采用的处理方法。

b）吸湿处理的时间和地点。

c）操作员姓名。

d）处理过程中出现的任何变化、异常或者设备问题。

e）所有测试仪器的标定方法和数据。

f）试件预处理的结果。

g）所用环境箱的类型，处理使用的湿度，环境箱的公称温度和实际测试温度，测量的时间间

隔。

h）实验室的相对湿度和温度。

i）每次测量的试件重量。

j）根据所用的方法，报告材料平衡吸湿率，或最终吸湿率，或水分损失（用重量损失百分比

表示），保留3位小数点

k）任何试验中观察到的异常现象，如试件的翘曲、开裂、外观变化等，或多种现象组合出现

l）脱湿数据与吸湿数据报告的方式相同

A.5.2状态描述

无论是否采用本附录中的方法进行吸湿处理，试件在进行冲击试验前的状态均应按照以下方式

描述：

a）吸湿率未知——如果在试验前没有控制吸湿率，则试验前的吸湿率应报告为“未知”。包括

了在测试前未将试件储存在指定低湿度环境中的情况，以及开展了定时、非平衡吸湿处理但没有测量试

件重量变化的情况（应报告测试之前的吸湿处理环境与时间）。

b）非平衡吸湿状态——采用了非平衡吸湿处理方法达到了指定的吸湿率，需要在报告中详细

描述吸湿处理方法，并使结果具有可复制性。

c）有效吸湿平衡状态——按本方法使试件达到了有效吸湿平衡；应在冲击测试前，报告试件

的吸湿率，还应明确给出达到平衡状态所用的吸湿环境，包括相对湿度和温度。

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ICS49.025.01

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团体标准

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