Испытание CAI: Compression After Impact
Испытание Compression After Impact представляет собой метод для определения остаточной прочности слоистого материала при сжатии после ударного повреждения. Испытание CAI позволяет делать выводы об устойчивости композиционных многослойных материалов к повреждениям.
Стандарты ASTM D7136 и ASTM D7137 содержат описание предварительного повреждения композитного материала на копре с падающим грузом с последующим испытанием на сжатие для измерения устойчивости к повреждению. Описание испытания CAI приводится в других стандартах: например, ISO 18352, Airbus AITM1-0010 или Boeing BSS 7260 type II.
Цель испытания CAI Стандарты Предварительное повреждение пластин Испытание на сжатие CAI Загрузки
Цель испытания Compression After Impact
В процессе испытания Compression After Impact (CAI) определяют остаточную прочность слоистого материала после предварительного ударного повреждения. Для этого изготовленный из многонаправленного слоистого материала образец сначала предварительно повреждают с регламентированной в соответствующем стандарте энергией удара.
С помощью ударных испытаний и определения остаточной прочности при сжатии в процессе последующего статического испытания на сжатие можно оценивать устойчивость композитных слоистых материалов к возможным ударным повреждениям. Композитные конструкции, используемые в авиации, могут быть повреждены при ударе, например, из-за падения инструмента во время техобслуживания, ударов камней при взлете и посадке или столкновения с наземными вспомогательными транспортными средствами.
Поскольку повреждение на стороне удара часто трудно увидеть, его также называют «едва заметным повреждением при ударе» („barely visible impact damage“), в то время как «внутри» композиционного материала и на противоположной стороне могут быть массивные повреждения со значительными трещинами в матрице и расслоениями.
Испытание CAI можно разделить на 3 фазы:
- Нанесение ударного повреждения с использованием подходящего копра с падающим грузом и регламентированной в стандарте энергии удара.
- Оценка и документирование ударного повреждения путем измерения деформации в точке удара и дополнительного определения повреждения «внутри» материала с использованием подходящей испытательной методики неразрушающего контроля (например, посредством ультразвука (C-Scan)).
Примечание: Неразрушающий контроль (НК) с использованием ультразвука (C-Scan) не входит в портфолио фирмы ZwickRoell. Следует обратиться к другим поставщикам. - Определение статической остаточной прочности при сжатии с использованием подходящей статической испытательной машины и испытательного приспособления CAI.
По каким стандартам проводят испытания CAI?
Обычно испытание на сжатие после удара проводят по следующим стандартам:
- ASTM D7136: измерение сопротивления повреждению армированного волокном композита с полимерной матрицей при ударе падающим грузом
- ASTM D7137: свойства остаточной прочности поврежденных полимерно-матричных композитных пластин при сжатии
- ISO 18352: определение характеристик сжатия после удара при специфической энергии удара
- AITM1-0010: метод испытаний Airbus для определения прочности при сжатии после удара
- Boeing BSS 7260, Type II: исследование прочности слоистых композитных материалов при сжатии после удара
При этом стандарт ASTM D7136 содержит описание ударного испытания и проводимых после него оценки и документирования повреждения. ASTM D7137 содержит описание статического испытания на сжатие для определения остаточной прочности поврежденного материала при сжатии.
Все остальные вышеуказанные стандарты содержат описание всех 3 фаз испытания, при этом нет подробного описания процедуры определения внутреннего повреждения посредством НК.
Проведение испытания CAI: предварительное повреждение образца
В инструментированном копре с падающим грузом HIT230F или HIT600F образец предварительно повреждают с использованием регламентированных в стандартах зажимного механизма и энергии удара. При этом размеры зажимного механизма, а также позиция зажима могут незначительно различаться, в зависимости от стандарта.
Для упрощения образцы фиксируются вне копра, а затем вводятся в позицию испытания. Для ударного испытания важно использовать копер с падающим грузом, оборудованный системой предотвращения многократных ударов, чтобы первое ударное повреждение не было замаскировано повторными ударами по образцу. Кроме того, применение инструментированного копра с падающим грузом позволяет легко определять кривую усилия, скорость удара и поглощенную образцом энергию удара.
Подходящие испытательные машины для предварительного повреждения испытываемых пластин
Инструментированный копер с падающим грузом HIT230F с регулируемой высотой сброса до 1 метра, встроенной системой измерения скорости в точке удара, механизмом предотвращения многократных ударов, подходящим ударным механизмом (диаметр 16 мм) и имеющимися легко заменяемыми грузами для настройки разной энергии удара точно отвечает требованиям к предварительному повреждению образцов CAI.
Инструментированный копер с падающим грузом HIT600F также подходит для предварительного повреждения образцов CAI, однако, благодаря настройке увеличенного пути сброса и опционально установленному механизму ускорения, может достигать более высоких значений скорости и энергии удара. Поэтому он также подходит для проведения многоосных испытаний пластмассовых образцов на пробой.
Проведение испытания CAI: статическое испытание на сжатие
После предварительного повреждения образца в процессе ударного испытания на копре с падающим грузом, а также оценки ударного повреждения путем измерения деформации в точке удара и определения размера повреждения внутри слоистого материала посредством неразрушающего контроля можно проводить собственно статическое испытание на сжатие для определения остаточной прочности при сжатии CAI.
Для этого предварительно поврежденный образец устанавливают в специальное нажимное приспособление CAI. Поскольку краевые условия для зажима образца в стандартах CAI различаются, используют два разных нажимных приспособления CAI.
- Для стандартов ASTM D7137 и Boeing BSS 7260 Type II образец направляется со всех четырех сторон, но не зажимается
- Для стандартов ISO 18352 и Airbus AITM1-0010 образец зажимают сверху и снизу и вводят по бокам посредством линейного контакта
Нажимное приспособление CAI (Compression after impact)
Приспособление CAI располагают между двумя нажимными плитами в статической испытательной машине. В процессе испытания CAI образец сжимается вплоть до разрушения. Испытание Compression After Impact является действительным, если образец разрушается в зоне нанесенного по центру повреждения при ударе. Разрушение в верхнем или нижнем зажиме или поблизости не допустимо.
Преимущества:
- Простая замена образца благодаря простому обращению с приспособлением CAI
- Применение в большом температурном диапазоне от -70 °C до +300 °C
- Повышенная боковая жесткость благодаря ребрам предотвращает боковой загиб приспособления, особенно при использовании нетрадиционных изделий из слоистых материалов.
- Сменные твердосплавные вставки на верхней и нижней поверхностях контакта с образцом сводят к минимуму износ сильно нагружаемых плоскостей приложения усилия
CAI, испытание на сжатие по ASTM D7137
При испытании на сжатие CAI предварительно поврежденный композитный образец испытывают в специальном нажимном приспособлении с усилием до 600 кН. Испытание Compression After Impact проводят на испытательной машине Z600E в температурном диапазоне от -60 °C до +350 °C.
Подходящие машины для испытания на сжатие CAI
В процессе испытания Compression After Impact легко могут возникать усилия более 100 кН при использовании относительно большого образца с размерами 100 мм x 150 мм x 5 мм (ширина x длина x толщина). Это также зависит от типа испытываемого композитного материала (например, CFK или GFK), используемого типа волоконного усиления (например, UD, ткань или однонаправленная ткань) или применения других изделий из слоистых материалов другой толщины, отличающихся от регламентированных в вышеуказанных стандартах.
Поэтому испытания на сжатие CAI следует проводить на статической испытательной машине с номинальной нагрузкой от 150 кН до 250 кН. Для испытаний CAI очень толстых слоистых материалов можно также использовать усиленные приспособления CAI и статические испытательные машины с увеличенной номинальной нагрузкой до 600 кН.
Для проверки точности выравнивания испытательной конструкции и точного соблюдения размеров нажимного приспособления CAI, в зависимости от стандарта CAI, необходимо при каждом испытании, при настройке испытательной конструкции или через регламентированные промежутки времени использовать образец с нанесенными с обеих сторон тензорезисторами (DMS) (всего по 4 штуки на образец). Сигналы DMS можно интегрировать в испытательную машину либо с помощью предварительно собранных блоков DMS, либо посредством подходящего универсального усилителя измерения.
FAQ
Посредством ударного испытания создается предварительное повреждение композитного образца. В процессе последующего статического испытания на сжатие определяют остаточную прочность при сжатии. Это позволяет оценить стойкость композитного слоистого материала к возможным ударным повреждениям.
Compression after Impact (испытание CAI) имитирует повреждения композитного материала (например, у самолетов или автомобилей) вследствие удара камнем, столкновения с птицами или другими транспортными средствами. Полученную в процессе испытания характеристику называют остаточной прочностью при сжатии.
Для испытания CAI нужен копер с падающим грузом для предварительного повреждения образца, а также статическая испытательная машина для статического испытания на сжатие.