王旋，徐金瑾，侯乃丹，李玉龍,*

1. 西北工業(yè)大學 航空學院，西安 710072

2. 陜西省沖擊動力學及工程應用重點實驗室，西安 710072

當高速飛行的飛行器經過雨場時，前表面材料會受到水滴的反復沖擊。由于它們之間較高的相對速度，雨滴對飛行器造成的沖擊力不可小覷，非常容易導致風擋玻璃、天線罩、紅外窗口或發(fā)動機機艙的侵蝕[1-5]。尤其是對于軍用飛機，雨滴侵蝕的問題往往更加嚴重，表面材料會受到侵蝕甚至發(fā)生破裂[6]。因此對飛機易受雨滴沖擊的部位進行耐蝕性評估是非常有必要的[7]。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗稱有機玻璃，屬于高分子聚合物材料，由于其具有優(yōu)越的光學性能、較高的力學強度、比重小、導熱性低和易于加工成型等特點，被廣泛用于飛機的風擋、座艙蓋和舷窗[8-9]。然而澆鑄的非定向有機玻璃存在抗銀紋性能差、對應力集中敏感、抗沖擊強度低等缺點。為提高非定向有機玻璃的性能，在玻璃化轉變溫度Tg(105 ℃)附近對該有機玻璃進行雙軸拉伸和冷卻固化。分子鏈經拉伸取向后定向有機玻璃具備更好的抗銀紋、抗裂紋擴展性及更高的沖擊韌性[10-11]。所以目前大多數(shù)飛機的透明件均采用定向有機玻璃。然而對于戰(zhàn)斗機而言，座艙蓋多采用單層結構透明件，同時需兼顧飛行員視野與飛機的隱身性能，外形較為復雜。由于定向拉伸有機玻璃需吹塑成形，制造難度高，目前某些飛機仍采用非定向有機玻璃作為座艙蓋材料[12]。因此對兩種有機玻璃的抗雨蝕能力展開評估具有十分重要的工程意義。

現(xiàn)今高速雨滴試驗方法主要分為以下3種：

1) 火箭撬法[13-14]

將試樣放置在火箭撬上加速通過人工雨場，主要用于超聲速測試，且能模擬試樣在真實雨場中的損傷情況，但試驗成本很高，試樣難以回收。

2) 旋轉臂法[15]

將試樣放置在旋轉臂末端，通過旋轉臂旋轉加速使試樣通過由噴嘴或針管制造的人工雨場。該方法成本較低且能模擬試樣在真實雨場中的損傷情況，但試樣尺寸及速度受旋轉臂強度限制。

3) 射流法[16-17]

通過高速子彈沖擊儲水噴嘴產生的高速射流對試樣進行沖擊。擁有橢圓形頭部的射流能模擬液滴對試樣的沖擊，且射流與液滴等效直徑的轉換可通過對比損傷得到。同時該方法成本低，可得到的射流速度范圍廣，被很多學者用來分析材料的損傷行為和損傷機理。

在過去的幾十年中，很多學者通過射流法對有機玻璃在高速液體沖擊下的損傷行為進行了廣泛研究。Bowden和Brunton[18]總結了PMMA等高聚物的典型表面破壞模式，包括中央未損傷區(qū)域及周圍環(huán)繞的環(huán)狀凹陷或裂紋和環(huán)向短裂紋。除此之外，高速液體沖擊還造成應力波在材料內部的傳播。應力波相互作用造成的內部損傷有時比表面損傷更為嚴重。在材料厚度有限的情況下，液滴沖擊會產生由應力波導致的后表面損傷和中心破壞[19]。為分析內部損傷機理，很多學者利用有機玻璃的光彈性，通過觀察材料在液滴沖擊后內部應力波的傳播及損傷過程對損傷機理進行分析[20]。Bowden和Field[21]也通過理論推導對應力波的相互作用做出了解釋。此外，液體對固體沖擊造成的水錘壓力也是一直以來的一個研究難點。由于沖擊過程的復雜性，對水錘壓力的研究一直停留在理論階段。雖然Obara等[17]通過聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)壓電薄膜測量了有機玻璃在高速射流沖擊下的動力學響應，但液固接觸區(qū)域應力狀態(tài)極為復雜，采用壓電薄膜無法對該區(qū)域應力狀態(tài)做到準確地評估。為分析固液沖擊的應力狀態(tài)，有學者通過將PVDF壓電薄膜粘貼于靶板背面對液滴沖擊的沖擊力進行測量，同時對固液沖擊過程和應力狀態(tài)進行分析[22]。

本文采用單式射流裝置產生的高速射流對航空定向和非定向有機玻璃進行沖擊試驗，并對其損傷行為進行對比。同時通過試樣內部應力波觀測試驗對其損傷機理進行分析。此外，為對射流沖擊損傷進行評估，采用PVDF壓電薄膜粘貼于試樣背面，測量射流對試樣的沖擊力及沖量，從而實現(xiàn)對每次沖擊試驗的量化及對損傷面積的評估與預測。

1 液固高速沖擊理論

液固沖擊過程包括兩個階段：初始壓縮階段和側向噴射階段，如圖1所示，其中v為沖擊速度。對于接觸初始階段，高速液體沖擊固體表面，液體與固體表面的接觸外圍向四周高速擴散，并在液體和固體內部產生應力波[17-18]。此時液固接觸邊界的擴展速度大于液體內部應力波的傳播速度，中心液體被壓縮，形成瞬態(tài)高壓，稱為“水錘壓力”[23-24]。

圖1 液固沖擊過程

射流對固體的壓力通過應力波傳遞到固體內部未受影響的區(qū)域，包括縱波、橫波和瑞利波，其中縱波和橫波在固體內部傳播，而瑞利波在固體表面?zhèn)鞑?，如圖1(a)所示?？v波以壓縮-拉伸的形式傳播，在波前迅速擴展時會引起徑向拉應力。而橫波中質點運動垂直于傳播方向，這將使固體內部產生剪應力和環(huán)向拉應力。擁有垂直分量和水平分量的瑞利波會使材料表面產生拉應力和剪應力[25]。液固沖擊時產生的拉應力和剪應力會導致材料損傷的起始和擴展。除此之外，應力波在自由表面的反射及在固體內部的相互作用會導致波的增強，從而造成材料的內部損傷。

當液體內部沖擊波波速等于液固接觸邊界的擴展速度時沖擊波脫離邊界，內部高壓以高速側向射流的形式釋放，如圖1(b)所示。側向射流的速度一般會幾倍于液體的沖擊速度，同時側向射流對材料表面的沖刷剪切作用會導致環(huán)向裂紋，甚至造成材料表面剝離。之后液體在固體表面形成穩(wěn)定的不可壓縮流，此時接觸中心點的壓力會降低至較低的Bernoulli靜壓。

2 材料和試驗過程

2.1 單射流雨蝕試驗平臺

液固沖擊試驗是在單射流沖擊試驗平臺上進行的。該平臺基于10 mm口徑的一級輕氣炮搭建，平臺如圖2所示。該平臺采用高壓氣體驅動子彈撞擊儲水的不銹鋼噴嘴，通過擠壓噴嘴內的水產生高速射流。試驗前預先在噴嘴內注入少量純凈水并用氯丁橡膠密封。子彈放置在彈托內，通過控制氣室壓力調節(jié)子彈速度，可產生速度為90～700 m/s的射流。

為實時觀察射流形態(tài)并計算射流速度，使用Phantom V711高速攝像機觀測沖擊過程。在綜合考慮圖像清晰度及拍攝間隔后，采用的幀率為21 000 fps。根據(jù)射流前端像素點的變化與標定樣張像素點和實際距離的關系可計算出射流的沖擊速度與直徑。此外，使用Kirana-05M高速照相機觀測材料內部應力波傳播，拍攝幀率為5×106fps。圖3為射流的速度與形態(tài)隨噴射方向位移(以噴嘴口為原點)的變化規(guī)律，可看出射流噴出后速度逐漸增加且射流頭部直徑逐漸增大，射流頭部受空氣阻力的作用變?yōu)榉€(wěn)定的球狀。由于射流頭部的形狀與雨滴相似，故而可用射流模擬真實高速液滴沖擊。射流速度及頭部形態(tài)在距離噴嘴口10 mm左右達穩(wěn)定狀態(tài)，且隨前進距離增加射流逐漸分散，為保證試驗的重復性及結果的精確性，將試樣固定在距離噴嘴口10 mm處。

通過此裝置研究了定向和非定向航空有機玻璃在高速射流沖擊下的損傷行為。分別進行了單次沖擊和多次沖擊試驗，靶板材料為定向及非定向有機玻璃，單次沖擊試驗速度分別為160、220、290、320、390、450、520 m/s，多次沖擊試驗速度分別為220、320、450 m/s。試驗中采用的噴嘴直徑為0.8 mm，產生的射流直徑約為4.5 mm。為保證試驗的重復性和有效性，每個速度下至少進行3次重復沖擊試驗。

圖2 單射流沖擊試驗裝置

圖3 水射流形態(tài)及速度隨位移變化

2.2 航空有機玻璃

采用的航空非定向和定向有機玻璃試樣由江蘇鐵錨玻璃股份有限公司提供，試樣尺寸為50 mm×50 mm，厚度為9 mm。在應力波觀測試驗中，為觀測材料內部應力波的傳播，拋光試樣側面。

2.3 PVDF壓電薄膜的標定

在重復試驗中，盡管射流速度相近，但射流頭部形態(tài)及直徑仍存在差異。為對每次沖擊進行量化，采用PVDF壓電薄膜獲取射流沖擊力歷程，通過提取沖擊力曲線及沖擊初始階段產生的沖量對每次試驗進行量化。試驗采用的壓電薄膜由錦州科信電子材料有限公司提供，膜厚為30 μm，尺寸為30 mm×30 mm。采用電流模式進行標定和試驗[26]，測量電路如圖4所示，其中i為電流，U為并聯(lián)電路電壓，并聯(lián)電阻R=120 Ω。

圖4 PVDF壓電薄膜測量電路

PVDF的動態(tài)標定試驗在鋼制分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置上進行。通過數(shù)據(jù)處理得到的應力σ與電荷密度q的關系如圖5所示，得到的動態(tài)壓電系數(shù)為46.13 pC/N。

圖5 PVDF壓電薄膜標定曲線

3 結果與討論

3.1 沖擊后試樣的典型損傷模式及表征

速度為320 m/s的射流沖擊后兩種有機玻璃試樣的表面顯微圖像如圖6所示。為更好地觀測損傷形貌，采用兩種不同景深的光學顯微鏡?？擅黠@看出兩種試樣損傷模式的差異。從圖6(a)中可看出非定向有機玻璃的損傷主要集中在表面，呈現(xiàn)出有機玻璃典型的損傷模式，包括近乎圓形的中央未損傷區(qū)域①、環(huán)狀凹陷區(qū)域②及外圍的環(huán)向短裂紋區(qū)域③。然而對于定向有機玻璃，如圖6(b)所示，在中央未損傷區(qū)域①外出現(xiàn)了環(huán)狀凹陷區(qū)域②和大面積的銀紋損傷區(qū)域④。值得注意的是，在未損傷區(qū)域外圍沒有出現(xiàn)由高速側向射流沖刷導致的環(huán)狀短裂紋。同時環(huán)形銀紋破壞區(qū)出現(xiàn)了脆性材料中典型的河流花樣，在河流花樣表面上有一系列臺階沿裂紋擴展方向排列，且在擴展過程中逐漸合并，在損傷區(qū)域遠端形成更明顯的臺階。

同時通過光學輪廓儀對損傷區(qū)域進行三維表面形貌觀測，測量沿損傷中心的表面輪廓，結果如圖7所示?？梢妼τ诜嵌ㄏ蛴袡C玻璃，中央未受損區(qū)周圍在射流沖擊下產生了凹陷的環(huán)形損傷環(huán)，凹陷深度約為3.5 μm。對于諸如有機玻璃等高聚物，疊加的靜水壓力會提高其屈服強度，因此在液固接觸初始階段中心產生的水錘壓力沒有對有機玻璃造成損傷，呈現(xiàn)出平臺。然而當中心壓縮釋放時，液固接觸邊界處會產生2～3倍于水錘壓力的高壓，造成凹陷的損傷環(huán)。對于定向有機玻璃同樣存在中央未損傷平臺及環(huán)狀凹陷，且凹陷深度低于非定向有機玻璃，僅為1.5 μm，這是由于定向有機玻璃有較高的沖擊強度。然而值得注意的是，在銀紋損傷區(qū)域(即環(huán)狀凹陷區(qū)域外側)材料表面深度并未出現(xiàn)明顯變化，結合圖6可發(fā)現(xiàn)定向有機玻璃銀紋損傷區(qū)域表面較為平整，僅在靠近環(huán)狀凹陷處表面高度升高。綜上說明銀紋損傷屬于面下?lián)p傷，且面下裂紋的產生造成了環(huán)狀凹陷邊緣處的凸起。

圖6 單次水射流沖擊后非定向及定向有機玻璃表面損傷顯微圖像

圖7 環(huán)形損傷區(qū)域表面輪廓

3.2 不同射流速度下的沖擊損傷

圖8為不同速度射流沖擊下兩種有機玻璃的損傷形貌，其中圖8(a)～圖8(c)為非定向有機玻璃，圖8(d)～圖8(f)為定向有機玻璃。對于定向有機玻璃，為更清晰地觀測表面剝離及面下銀紋損傷，采用兩種景深的顯微圖像對損傷進行觀測?？煽闯鲈跊_擊速度為220 m/s時兩種有機玻璃表面損傷都非常輕微，且損傷面積接近。非定向有機玻璃表現(xiàn)為表面擦傷，主要損傷區(qū)域直徑約為2.05 mm；定向有機玻璃主要表現(xiàn)為內部銀紋損傷，銀紋損傷外圍直徑約為1.93 mm。當速度增加至380 m/s時，非定向有機玻璃在環(huán)狀凹陷區(qū)外圍出現(xiàn)了輕微的表面剝離(如圖8(b)所示)，而定向有機玻璃出現(xiàn)了較大面積的剝離損傷。隨沖擊速度增加至520 m/s，表面剝離的程度也逐漸加重，如圖8(c)和圖8(f)所示，兩種有機玻璃中央未損傷區(qū)域外都出現(xiàn)了大片的表面剝離損傷。

同時試驗發(fā)現(xiàn)在速度為160 m/s的射流沖擊下兩種有機玻璃表面仍出現(xiàn)了微小損傷，說明它們的損傷速度閾值在160 m/s以下。此外表面出現(xiàn)剝離損傷的速度閾值為320～380 m/s，且相同沖擊速度下定向有機玻璃剝離損傷比非定向有機玻璃嚴重，故而推測定向有機玻璃剝離損傷閾值低于非定向有機玻璃，即非定向有機玻璃有更強的抗雨滴沖擊能力。

圖9總結了兩種有機玻璃試樣損傷面積隨射流沖擊速度的變化規(guī)律，損傷面積取重復試驗結果的平均值，其中Sa為中央未損傷面積，Sb為損傷面積。通過對比發(fā)現(xiàn)兩種有機玻璃試樣中央未損傷面積Sa相差不大，且隨著沖擊速度增加沒有發(fā)生太大變化，維持在一個相對穩(wěn)定的值。對于兩試樣的損傷面積Sb，結合表面損傷顯微圖像可發(fā)現(xiàn)兩種有機玻璃的Sb都隨沖擊速度的增加而增大。在沖擊速度較低 (小于320 m/s)時兩種有機玻璃試樣損傷面積隨沖擊速度上升而緩慢增大，在同一射流沖擊速度下二者的差別不大。而當速度超過320 m/s時二者的損傷面積隨沖擊速度增加呈快速增加趨勢，且定向有機玻璃的損傷面積遠大于非定向有機玻璃。結合表面顯微圖像(如圖8所示)可看出在此沖擊速度下表面逐漸出現(xiàn)剝離損傷，且定向有機玻璃在相同沖擊速度下更容易出現(xiàn)更大面積的剝離。

圖9 損傷面積隨沖擊速度變化規(guī)律

3.3 應力波觀測及損傷機理

從3.1節(jié)及3.2節(jié)對損傷的描述可發(fā)現(xiàn)定向與非定向有機玻璃經高速射流沖擊后的損傷模式有明顯區(qū)別。為進一步探究其損傷機理，對兩種試樣內部應力波的傳播及損傷擴展過程進行試驗和分析。圖10是速度為520 m/s的射流沖擊下兩種有機玻璃試樣內部應力波傳播的高速攝像圖，其中T為時間。當射流沖擊試樣表面時，壓縮波與剪切波在試樣內部傳播，而Rayleigh波在試樣表面?zhèn)鞑?。由于傳播速度不同，壓縮波與剪切波會逐漸分離。如圖10(a)所示，在射流沖擊定向有機玻璃0.4 μs后觀察到壓縮波(C)；在0.6 μs時面下?lián)p傷(Dr)出現(xiàn)，同時在0.8 μs時觀測到剪切波(S)；在1.2～1.4 μs壓縮階段結束，出現(xiàn)側向射流。通過觀察損傷過程可發(fā)現(xiàn)面下?lián)p傷在沖擊初始階段沿剪切波波陣面逐漸向內部擴展，且損傷出現(xiàn)的時刻早于側向射流產生的時刻。此時由于中心壓縮區(qū)釋放產生的釋放波還未形成，所以定向有機玻璃產生的面下銀紋損傷是由沖擊產生的剪切波造成的。圖11(a)和圖11(b)分別為高速攝像拍攝的損傷側面圖及沖擊后表面損傷顯微圖像，可發(fā)現(xiàn)面下銀紋損傷呈層間分層形式，且損傷與試樣表面夾角較小，約為23°。對于定向有機玻璃，經定向拉伸后其分子鏈傾向于沿玻璃平面平行分層排列，而在平面內的排列則是無序的，這就導致定向有機玻璃平行于拉伸平面方向的力學性能有所改善，但垂直于拉伸平面方向的層間強度降低，呈現(xiàn)出明顯的各向異性[27-28]。在受剪切波影響時，較弱的層間強度導致分子鏈沿層間斷裂，呈現(xiàn)出分層損傷模式。

圖10 有機玻璃內部應力波傳播高速攝像圖

圖11 定向有機玻璃面下?lián)p傷放大圖及表面損傷顯微圖像

反觀非定向有機玻璃，如圖10(b)所示，在沖擊初始階段剪切波的作用下也出現(xiàn)了面下?lián)p傷，但與定向有機玻璃相比面下?lián)p傷極小，深度更淺，損傷與表面近乎垂直。面下?lián)p傷的不同也導致兩種有機玻璃在高速射流沖擊下表面剝離形態(tài)的不同。對于定向有機玻璃，由于其較易形成面下層裂，在高速射流沖擊下高速的側向射流會侵入裂紋內部，將材料沿面下裂紋掀起，造成表面大面積剝離，如圖12[29]所示；而對于非定向有機玻璃，其面下?lián)p傷程度較低，在側向射流侵蝕下內部裂紋擴展并最終造成剝離的難度相對定向有機玻璃升高，所造成的剝離損傷程度小于定向有機玻璃。

圖12 剝離損傷示意圖[29]

3.4 單次沖擊損傷評估及預測

由于相同速度射流的頭部形態(tài)有一定差異，且通過高速攝影方法計算得到的射流速度存在一定誤差。為更精確地對損傷面積進行量化及預測，引入沖擊初始階段的沖量對損傷進行分析。圖13給出了速度為320 m/s的射流沖擊下壓電薄膜測得的瞬態(tài)力歷程，可看出在射流沖擊后測得的力信號在短時間內達到峰值，在震蕩后下降達平臺段。通過對這一時間段(a)內的力與時間進行積分得到沖量。同時可發(fā)現(xiàn)在平臺段后出現(xiàn)了負信號，這可能是由PVDF壓電薄膜的回彈所致[22,30]。

試驗中PVDF壓電薄膜位于試樣背部，因此需評估試樣厚度對測量結果的影響。圖14與圖15給出了不同厚度試樣在射流沖擊下最大沖擊力與沖量隨速度的變化，其中t為厚度?？煽闯鲇捎跊_擊速度測量的誤差，同一沖擊速度下測得的力和沖量有一定差異，且最大沖擊力與速度呈拋物線關系，而沖量與速度呈線性關系，與前人工作相似[22,31]。同時可發(fā)現(xiàn)試樣厚度對沖擊力及沖量結果的影響很小，在一定誤差范圍內可忽略。

圖13 320 m/s水射流沖擊下力的歷程曲線

圖14 力與沖擊速度的關系

圖15 沖量與沖擊速度的關系

為對損傷面積進行更準確的評估和預測，通過試驗中測得的沖擊初始階段沖量對損傷進行評估。沖量作為一個過程量，可對損傷面積進行更好的量化。圖16給出了兩種有機玻璃損傷面積隨沖擊初始階段沖量變化的趨勢，可明顯地看出損傷面積與沖量呈線性關系。因此可假設損傷面積與沖量呈線性關系，即

Ad=MI

(1)

式中：Ad為損傷面積；I為沖擊初始階段沖量；M為材料常數(shù)。通過擬合可得出非定向有機玻璃的材料常數(shù)為4.21×10-4Pa·s-1，定向有機玻璃的為8.67×10-4Pa·s-1。然而通過擬合曲線可看出其并沒有通過原點，這可能是由于試驗中的誤差導致的。盡管如此，該方法依然能在一定誤差范圍內對兩種有機玻璃的損傷進行預測，同時能在射流形態(tài)穩(wěn)定時忽略射流頭部的差異及速度的測量誤差，對損傷進行更好地預測。然而由于剝離損傷的不確定性，在沖擊速度較高時的預測依然有一定的分散性，但在低速情況下能提供較好的對比。

圖16 損傷面積的擬合與預測

3.5 多次射流沖擊后表面損傷結果分析

為進一步探究兩種有機玻璃抗雨蝕能力，采取高、中、低3個沖擊速度對兩種有機玻璃試樣進行連續(xù)3次沖擊，并通過損傷形貌及損傷面積評估其抗雨蝕能力。圖17給出了沖擊速度分別為220、320、450 m/s的射流沖擊后試樣表面形貌顯微圖像。試驗中保證每次射流沖擊的最大沖擊力及沖擊初始階段沖量誤差在10%以內。同時圖18給出了單次沖擊與多次沖擊下表面損傷面積的對比。

從表面顯微圖像及損傷尺寸的對比可發(fā)現(xiàn)在3次低速(220 m/s)沖擊下，非定向有機玻璃表面損傷比單次沖擊明顯加重，主要表現(xiàn)為損傷面積的增加，此外由于3次沖擊射流頭部有一定的差異，出現(xiàn)了多個環(huán)狀凹陷區(qū)域，重疊的環(huán)狀凹陷會進一步增加損傷的深度，且由于側向射流沖刷導致的環(huán)向短裂紋顯著增多。對于定向有機玻璃，其損傷模式與單次沖擊相似，中央未損傷區(qū)域外也沒有出現(xiàn)環(huán)向短裂紋，且多次沖擊造成的面下銀紋損傷區(qū)域也顯著增加。同時由于裂紋擴展造成的材料表面凸起也更為嚴重，在這種情況下重復的沖擊更容易造成表面剝離。

圖17 多次水射流沖擊后非定向及定向有機玻璃表面損傷顯微圖像

圖18 單次及多次水射流沖擊下兩種有機玻璃試樣中央未損傷和損傷面積的對比

當沖擊速度增至320 m/s時非定向有機玻璃在經受多次沖擊后環(huán)向短裂紋增多、深度加深且表面出現(xiàn)少量剝離。然而對于定向有機玻璃，多次沖擊造成了表面的大塊剝離，同時總損傷面積增加的幅度遠遠超過了非定向有機玻璃，這也進一步說明了定向有機玻璃由于其面下層裂的損傷模式更容易導致表面剝離。

同樣在沖擊速度為450 m/s時，受射流3次沖擊后定向、非定向有機玻璃都出現(xiàn)了大面積的表面剝離，且非定向有機玻璃內部也出現(xiàn)了內部裂紋，繼續(xù)沖擊容易出現(xiàn)更大面積的剝離損傷。

通過圖18給出的單次及多次沖擊后兩試樣Sa和Sb的對比發(fā)現(xiàn)，多次沖擊后中央未損傷面積Sa存在一定程度的減小，如圖16(a)所示。這是由于多次沖擊時射流頭部的微小差異會對中央未損傷區(qū)域造成破壞，從而造成其面積的減小。而對于損傷區(qū)域的面積Sb，當沖擊速度低于剝離損傷閾值(220、320 m/s)時非定向有機玻璃的損傷面積在多次沖擊下僅出現(xiàn)小幅度增加，而定向有機玻璃的損傷面積在多次沖擊下則出現(xiàn)了較大增長。這是由于定向有機玻璃損傷模式為面下分層的銀紋損傷，多次沖擊會造成面下裂紋的持續(xù)擴展，從而導致?lián)p傷面積的增加。而在沖擊速度高于剝離損傷速度閾值(450 m/s)的情況下多次沖擊后兩種有機玻璃試樣損傷面積都急劇增加，這是由于在首次沖擊后便出現(xiàn)了剝離損傷，在后續(xù)沖擊產生的側向射流沖刷下已出現(xiàn)剝離損傷的區(qū)域更容易出現(xiàn)裂紋擴展并最終造成更為嚴重的剝離。同時定向有機玻璃在多次沖擊下的損傷比非定向有機玻璃更為嚴重，其損傷面積接近單次沖擊的5倍，這也進一步說明了定向有機玻璃由于損傷模式的原因更容易造成表面剝離。

4 結 論

基于一級輕氣炮搭建了單射流雨蝕試驗平臺，并對航空定向與非定向有機玻璃進行了雨蝕試驗，通過PVDF壓電薄膜采集到的沖擊初始階段沖量對損傷進行了評估，得到主要結論如下：

1) 定向與非定向有機玻璃在受到射流沖擊時呈現(xiàn)出兩種截然不同的損傷模式。定向有機玻璃主要表現(xiàn)為面下分層的銀紋損傷，而非定向有機玻璃主要為表面損傷。

2) 隨沖擊速度的增加兩種有機玻璃試樣的損傷面積逐漸增加，且逐漸出現(xiàn)剝離損傷。定向有機玻璃在較大的沖擊速度下更容易出現(xiàn)大面積的剝離。

3) 通過對試樣內部應力波傳播與損傷行為的觀測，發(fā)現(xiàn)定向有機玻璃的損傷模式為剪切波主導的面下分層損傷，該損傷模式也導致定向有機玻璃更容易受側向射流的侵蝕而出現(xiàn)大面積剝離。

4) 沖擊初始過程中沖量與損傷面積呈線性關系，在一定誤差范圍內能對兩種有機玻璃試樣的損傷進行較好的評估與預測。

5) 通過對兩種有機玻璃試樣進行多次沖擊試驗后發(fā)現(xiàn)定向有機玻璃在多次射流沖擊下?lián)p傷面積增幅較大，且在剝離損傷出現(xiàn)后其損傷程度比非定向有機玻璃更為嚴重。

6) 通過對兩種有機玻璃進行單次及多次射流沖擊下?lián)p傷行為的研究，發(fā)現(xiàn)非定向有機玻璃擁有比定向有機玻璃更強的抗雨滴沖擊能力。