一种适用于复合材料侵彻过程解析研究的夹具及试验方法

技术领域

本发明属于复合材料试验设备技术领域，具体涉及一种适用于复合材料侵彻过程解析研究的夹具及试验方法。

背景技术

由两种或两种以上不同性质组分材料组成的多相材料称为复合材料。相较传统金属材料，碳纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳性能及耐腐蚀性能优异等特点，是现阶段在航空航天等领域应用最为广泛的先进材料之一。但通过动态力学性能实验研究，发现碳纤维树脂基复合材料是典型的应变率敏感材料，在冲击载荷下，尤其是高速侵彻时，材料的力学性能与准静态加载状态下有显著差异，因此需要开展此类材料典型试验件的高速侵彻试验，支撑相关应用结构在实际服役条件下的抗冲击性能研究。

现阶段复合材料的刚体弹丸高速侵彻试验通常采用平板典型试验件开展，夹持方式通常采用四周固支约束，在试验过程中通过测量弹丸速度(剩余速度)以实现材料抗冲击性能的评价及分析，并基于试验结果验证仿真模型的有效性。但是这类试验方法存在一些问题：(1)四周固支约束这种夹持方式使得典型试验件的几何尺寸通常远大于弹丸几何尺寸，考虑到复合材料制备过程本身存在性能离散的客观问题，为获取有效试验数据需要开展大量试验，试验用材成本很高，且难以制备配套这类试验夹具的复合材料面内方向(11、22方向；11方向定义为材料面内纵向方向；22方向定义为材料面内横向方向)试验件，因此无法开展复合材料面内方向的侵彻过程研究；(2)由于复合材料的侵彻失效机理复杂，现阶段常规试验方法通常基于试验后借助无损检测手段获得的复合材料冲击后损伤机理来支撑仿真模型，但刚体弹丸侵彻试验本身具有局部效应，在弹靶接触区域会有严重破坏和变形，非接触区域破坏程度随距离增加而减弱，试验后如果切割试验件进行局部损伤观测会不可避免破坏原始损伤形貌，同时复合材料弹平板试验件的弹靶接触区域的内部宏观损伤如分层、裂纹等在非加载状态下可能会闭合从而在试验后难以观测，冲击区域的损伤变化过程尤其是冲击区域纤维、树脂及两者耦合的损伤过程无法原位观测，因此采用现阶段常用的试验方法无法真实解析研究此类材料的侵彻过程，在仿真模型的失效准则确定、损伤演化确定、模型有效性验证等方面难以提供有效支撑；(3)不同于金属材料，碳纤维树脂基复合材料是脆性材料，在侵彻试验过程中会有大量碎片飞溅，采用测速仪测定弹丸剩余速度会受到碎片严重干扰，同时仅基于弹丸速度(剩余速度)难以全面表征复合材料在高应变率加载时的性能，常规试验方法及夹具设计没有考虑实时同步采集侵彻试验过程中复合材料试验件的不同区域的应变、位移(挠度)、温度等响应；(4)侵彻试验通常采用轻气炮作为动态加载装置，对于冲头是不规则几何形态(非圆形)的侵彻体，需要借助非标准圆柱外观弹托支撑其在炮管内加速，因此难以实现侵彻体预期撞击姿态的稳定控制。

因此，提供一种安装方便、试验效率较高、无需与特定动态加载装置(轻气炮)配套且可有效降低试验成本的夹具及实现多种关键物理量有效测量的试验方法，对复合材料侵彻过程解析研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为解决背景技术中存在的问题，提供一种适用于复合材料侵彻过程解析研究的夹具及试验方法。

本发明提出的一种适用于复合材料侵彻过程解析研究的夹具及试验方法，能够实现不同几何尺寸不同加载方向复合材料试验件在不同几何形态侵彻体的不同冲击速度下开展侵彻试验及多信息原位同步观测，

本发明提出一种适用于不同几何尺寸不同加载方向复合材料试验件在不同几何形态侵彻体的不同冲击速度下开展侵彻试验的夹具及多信息原位同步观测的试验方法，该装置结构简易、高效、耐用、安装简单，且适配于各型号轻气炮。

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种适用于复合材料侵彻过程解析研究的夹具，包括夹持端底板、夹持端支座、上固定滑块、下固定滑块、入射杆、侵彻杆、侵彻杆支座、侵彻杆滑槽、高频激光位移计、红外热成像仪、两个激光测速仪、四个高速相机；四个高速相机分别是高速相机一、高速相机二、高速相机三及高速相机四；

夹持端支座固定在夹持端底板上，夹持端支座的左前角处开有凹槽，凹槽上端和下端分别沿前后方向设有上滑槽和下滑槽，上固定滑块和下固定滑块分别与上滑槽和下滑槽滑动连接，上固定滑块和下固定滑块分别与凹槽后侧壁可拆卸固定连接，将复合材料试验件夹紧固定在上固定滑块、下固定滑块与凹槽后侧壁之间；凹槽后侧壁开有入射槽口，入射槽口位于上固定滑块和下固定滑块之间，侵彻杆支座设置在夹持端支座后侧，侵彻杆支座设有贯通前后侧壁的通孔，侵彻杆滑槽紧密配合固定在通孔内，侵彻杆与侵彻杆滑槽滑动配合，且侵彻杆前端能够通过入射槽口，入射杆设置在侵彻杆后方，且复合材料试验件侵彻区域中心与侵彻杆及入射杆中心共线；

两个激光测速仪分别设置在侵彻杆支座与夹持端支座之间的外侧以及入射杆与侵彻杆支座之间的外侧；在复合材料试验件的侧面方向设置高速相机一和高速相机二，其中高速相机一对复合材料试验件的侧面，高速相机二对准侵彻杆的撞击段区域，在复合材料试验件侵彻方向的背面方向设置高速相机三和高速相机四；高频激光位移计对准复合材料试验件侵彻区域背面的中心区域，红外热成像仪设置在复合材料试验件侧面方向。

进一步的是，侵彻杆滑槽内固定有滑槽橡胶圈，侵彻杆与滑槽橡胶圈滑动配合。

进一步的是，侵彻杆由前至后依次由制为一体的撞击段、支撑段和动力段组成，撞击段和支撑段均为圆柱体、方形体或菱形体，且支撑段横截面大于撞击段横截面，动力段为圆盘形状，动力段横截面大于支撑段横截面。

进一步的是，四个高速相机附近均设置有补偿光源。

一种复合材料侵彻过程解析研究的试验方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：试验准备阶段；

将夹具的夹持端底板及侵彻杆支座固定在轻气炮试验装置平台上后，组装夹具及安装复合材料试验件，并将入射杆装入轻气炮加载装置发射端；

步骤二：试验开展阶段；

(1)开启激光测速仪、高速相机、高频激光位移计、红外热成像仪，同时开启补偿光源；

(2)调整轻气炮气室气压，以满足入射杆的预期冲击速度，通过控制轻气炮气室空气阀发射入射杆；

(3)入射杆撞击侵彻杆后，侵彻杆沿侵彻杆滑槽向前移动，侵彻杆的撞击段撞击复合材料试验件；

(4)激光测速仪、高速相机、高频激光位移计、红外热成像仪同步入射杆发射时开始多物理量采集；

步骤三：试验结果分析及后处理阶段；

(1)获取两个激光测速仪采集数据，分别得到侵彻杆、入射杆的入射速度V

(2)复合材料试验件会有三种可能状态，即状态A是完全断裂状态；状态B是临界状态；状态C是未断裂状态，复合材料试验件已经出现损伤；

(3)获取高速相机二的采集结果，基于像素标定法计算侵彻杆入射速度V

计算V

其中：V

(4)获取高速相机一的采集结果，观测分析试验过程中在不同形状侵彻杆以不同速度撞击下复合材料试验件的原位损伤模式，即对应A、B和C三种不同状态的复合材料试验件的阶段性损伤特征和失效模式，基于像素标定法计算复合材料试验件的挠度；

试验前在确定好高速相机二的位置后，会拍摄一个静置的标定物体，已知该物体的长度为D，照片内对应该长度的像素坐标距离为d，计算标定参数c；

c＝d/D(式三)

此式也适用于步骤(3)中c的计算；

在试验过程中基于高速相机一记录复合材料试验件侧面的变形过程，变形过程中在Δt时间内复合材料试验件侧面中心点沿侵彻方向的变形的像素坐标距离为W，计算复合材料试验件的挠度w；

w＝W/c(式四)

(5)获取高速相机三、高速相机四的采集结果，分析试验过程中在不同形状侵彻杆以不同速度撞击下复合材料试验件侵彻区域背面的应变、位移变化，基于三维数字图像相关方法对高速相机三、高速相机四采集到的散斑图像进行识别和计算，实现两组采集图像中分析点的一一对应，计算得到复合材料试验件侵彻区域背面的三维位移场，根据空间坐标点(x

式五中，由上至下的前三个计算公式分别计算的是11、22和12方向的面内应变分量，等效应变由式五最下面的公式计算得出；11方向定义为材料面内纵向方向，22方向定义为材料面内横向方向、12方向定义为材料面内剪切方向；

通过偏微分算法计算散斑区域的表面应变率张量和等效应变率，计算公式六如下；

式六中，由上至下的前三个计算公式分别计算的是11、22和12方向的面内应变率，等效应变率由式六最下面的公式计算得出；

P：表示复合材料试验件侵彻方向的背面散斑区域任意一点；

(6)获取高频激光位移计的采集结果，分析复合材料试验件侵彻区域中心沿侵彻方向的变形过程；

(7)获取红外热成像仪的采集结果，分析试验过程中在不同形状侵彻杆以不同速度撞击下，复合材料试验件侵彻区域对应试验状态A、B和C的温度变化，对比高速相机一同步采集获得的复合材料试验件原位损伤模式，建立复合材料损伤状态同结构温度的相关性表征模型；

(8)分析侵彻试验过程中在不同形状侵彻杆以不同速度撞击下复合材料试验件的能量吸收情况。

进一步的是，步骤一中，组装夹具及安装复合材料试验件具体为：

将侵彻杆滑动穿过侵彻杆支座的滑槽橡胶圈并对准夹持端支座的入射槽口，将入射杆装入轻气炮加载装置发射端，将复合材料试验件放置在夹持端支座的凹槽内，并通过水平移动上固定滑块和下固定滑块，使上固定滑块和下固定滑块满足复合材料试验件上下端沿侵彻方向的固支约束条件后，通过夹持连接螺栓连接固定夹持端支座与上固定滑块、下固定滑块，实现复合材料试验件的有效夹持；同时要保证入射杆中心、侵彻杆中心、复合材料试验件侵彻区域中心满足三点一线的对中状态；之后，将两个激光测速仪分别设置在侵彻杆支座与夹持端支座之间的外侧以及入射杆与侵彻杆支座之间的外侧；在复合材料试验件的侧面方向设置高速相机一、高速相机二，其中高速相机一对准复合材料试验件的侧面，高速相机二对准侵彻杆的撞击段区域，在复合材料试验件侵彻方向的背面方向设置高速相机三和高速相机四；将高频激光位移计对准复合材料试验件侵彻区域背面的中心区域，以采集复合材料试验件侵彻区域中心沿侵彻方向的位移时程曲线；将红外热成像仪设置在复合材料试验件侧面方向。

进一步的是，步骤三(8)具体为：

(a)对于状态A，计算复合材料试验件贯穿时的能量吸收:

式中：E是指能量吸收数值，m

(b)对于状态B，能够获得复合材料试验件的临界能量吸收阈值：

式中：V

(c)对于状态C，计算复合材料试验件未贯穿时的能量吸收：

由此获得不同条件下的复合材料试验件挠度、侵彻区域背面应变/位移、复合材料试验件中心沿侵彻方向的变形以及复合材料试验件的能量吸收情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)可以使用更小的复合材料试验件就可获得有效支撑仿真模型的损伤信息，可以高效节约试验材料成本；

(2)通过使用小尺寸的复合材料试验件(在传统弹道冲击试验中，为了尽量降低夹具夹持边界效应对材料失效模式的影响，常采用截面尺寸150×150mm甚至更大尺寸的试验件开展试验)，可以开展复合材料面内方向的侵彻试验，降低复合材料试验件的制备难度；

(3)通过上、下滑槽可以自由调整上、下固定滑块的前后位置，使夹具对复合材料试验件的长、宽、厚度的限制较低；

(4)通过使用该夹具，可以实现侵彻试验过程中复合材料试验件撞击区域(侵彻区域)内纤维、树脂及宏观界面的原位损伤破坏过程的同步观测及分析，支撑仿真模型的建立与验证；

(5)除了可以精确测量侵彻杆撞击速度、剩余速度(反弹速度)计算复合材料试验件能量吸收外，还可以有效测量复合材料试验件多方向应变、位移(挠度)、温度等物理量，实现更全面地表征其动态响应；

(6)通过使用该夹具，可以实现侵彻试验过程中不规则几何形态侵彻杆撞击姿态的稳定控制，从而可以实现在试验过程中探究侵彻杆几何形态及冲击速度改变对复合材料侵彻过程的影响。

此外，本发明还具有以下优点：

(1)采用该夹具及试验方法，不仅可以采用小型条状试验件代替平板典型试验件进行复合材料的侵彻试验研究，基于该优化方案不仅可以降低成本，同时可以实现复合材料面内方向的侵彻过程解析研究；

(2)采用该夹具及试验方法，通过使用与复合材料试验件宽度接近的侵彻杆开展不同速度的侵彻试验，可以实现侵彻试验过程中复合材料试验件受冲击区域(侵彻区域)的原位损伤、变形、破坏过程的同步采集、观测以及分析，解决平板弹道冲击试验中无法同步观测以获得关键区域原位损伤信息的问题；

(3)采用该夹具及试验方法，可以有效获得侵彻试验过程中复合材料试验件的多方向应变、位移(挠度)、温度等物理量的变化，建立复合材料侵彻性能的多信息表征方法，解决碎片干扰速度测量的问题；

(4)采用该夹具及试验方法，可以实现侵彻试验过程中不规则几何形态侵彻杆撞击姿态的稳定控制。

附图说明

图1是本发明的一种适用于复合材料侵彻过程解析研究的夹具的结构示意图；

图2是侵彻杆与侵彻杆滑槽装配的轴测图；

图3是侵彻杆的结构示意图。

上述附图中涉及的部件名称及附图标记如下：

夹持端底板1、夹持端支座2、上固定滑块3、下固定滑块4、入射槽口5、入射杆6、侵彻杆7、撞击段7-1、支撑段7-2、动力段7-3、侵彻杆支座8、侵彻杆滑槽9、激光测速仪10、高速相机一11-1、高速相机二11-2、高速相机三11-3、高速相机四11-4、高频激光位移计16、红外热成像仪13、凹槽14、复合材料试验件15。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：如图1-图3所示，本实施方式披露了一种适用于复合材料侵彻过程解析研究的夹具，包括夹持端底板1、夹持端支座2、上固定滑块3、下固定滑块4、入射杆6、侵彻杆7、侵彻杆支座8、侵彻杆滑槽9、高频激光位移计16、红外热成像仪13、两个激光测速仪10、四个高速相机；四个高速相机分别是高速相机一11-1、高速相机二11-2、高速相机三11-3及高速相机四11-4；

夹持端支座2固定在夹持端底板1上，夹持端支座2的左前角处开有凹槽14，凹槽14上端和下端分别沿前后方向设有上滑槽和下滑槽，上固定滑块3和下固定滑块4分别与上滑槽和下滑槽滑动连接，上固定滑块3和下固定滑块4分别(通过夹持连接螺栓)与凹槽14后侧壁可拆卸固定连接，将复合材料试验件15夹紧固定在上固定滑块3、下固定滑块4与凹槽14后侧壁之间；凹槽14后侧壁开有入射槽口5，入射槽口5位于上固定滑块3和下固定滑块4之间，侵彻杆支座8设置在夹持端支座2后侧，侵彻杆支座8设有贯通前后侧壁的通孔，侵彻杆滑槽9紧密配合固定在通孔内，侵彻杆7与侵彻杆滑槽9滑动配合，且侵彻杆7前端能够通过入射槽口5，入射杆6设置在侵彻杆7后方，且复合材料试验件15侵彻区域中心与侵彻杆7及入射杆6中心共线；

两个激光测速仪10分别设置在侵彻杆支座8与夹持端支座2之间的外侧以及入射杆6与侵彻杆支座8之间的外侧；在复合材料试验件15的侧面方向设置高速相机一11-1和高速相机二11-2，其中高速相机一11-1对复合材料试验件15的侧面，高速相机二11-2对准侵彻杆7的撞击段区域，在复合材料试验件15侵彻方向的背面方向设置高速相机三11-3和高速相机四11-4；高频激光位移计16对准复合材料试验件15侵彻区域背面的中心区域，红外热成像仪13设置在复合材料试验件15侧面方向。

夹持端支座2，用于固定夹持复合材料试验件15，在夹持端支座2的左前角处开有凹槽14，凹槽14上端和下端分别沿前后方向开设有上滑槽和下滑槽，用于实现上固定滑块3、下固定滑块4在凹槽14内沿前后方向的自由移动，凹槽14后侧壁开有入射槽口5，撞击侵彻杆7时穿过入射槽口5。

上固定滑块3，与夹持端支座2通过夹持连接螺栓固定连接，用于固定复合材料试验件15，上固定滑块3位置可根据复合材料试验件15厚度在上滑槽内调整。

下固定滑块4，与夹持端支座2通过夹持连接螺栓固定连接，用于固定复合材料试验件15，下固定滑块4位置可根据复合材料试验件15厚度在下滑槽内调整。

夹持连接螺栓，用于上固定滑块3、下固定滑块4与夹持端支座2连接，实现复合材料试验件15的有效固定夹持。

入射杆6，通过轻气炮发射，撞击速度可以通过调整轻气炮气室气压改变，用于提供侵彻杆7的动能。

侵彻杆支座8，用于侵彻杆滑槽9的固定，可以自由移动固定至所需位置。

侵彻杆滑槽9，用于支撑侵彻杆7的稳定运动，滑槽尺寸与侵彻杆7相匹配，同时需要根据侵彻杆7几何形态及撞击姿态调整设计，确保满足不规则几何形态侵彻杆7撞击姿态的稳定控制。

两个激光测速仪10，当所测预设速度越高，调设的激光测速仪10的采集频率也相应越高。两个激光测速仪10分别设置在侵彻杆支座8与夹持端支座2之间的外侧以及入射杆6与侵彻杆支座8之间的外侧，用于测量侵彻杆7的撞击、反弹速度和入射杆6的撞击、反弹速度。

四个高速相机，在复合材料试验件15的侧面方向设置高速相机一11-1和高速相机二11-2，其中高速相机一11-1对准复合材料试验件15的侧面，高速相机二11-2对准侵彻杆7的撞击段区域(基于像素标定法测量侵彻杆7撞击速度和反射速度)，在复合材料试验件15侵彻方向的背面方向设置高速相机三11-3和高速相机四11-4(用于观测复合材料试验件15的全方向应变、位移(挠度))。

高频激光位移计16，对准复合材料试验件15侵彻区域背面的中心区域，用于获取复合材料试验件15冲击方向变形时程曲线和最大位移。

红外热成像仪13，放置在复合材料试验件15侧面方向，用于分析复合材料试验件15在侵彻试验过程中的局部温度变化。

夹具使用时，将夹持端底板1及侵彻杆支座8均固定在轻气炮试验台上面，保持夹具处于稳定状态。

具体实施方式二：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，侵彻杆滑槽9内固定有滑槽橡胶圈，侵彻杆7与滑槽橡胶圈滑动配合(用于减少侵彻杆7在运动过程中的摩擦阻力，以及在运动过程中起到保护侵彻杆7的作用)。

具体实施方式三：如图3所示，本实施方式是对具体实施方式一或二作出的进一步说明，侵彻杆7由前至后依次由制为一体的撞击段7-1、支撑段7-2和动力段7-3组成，撞击段7-1和支撑段7-2均为圆柱体、方形体或菱形体，且支撑段7-2横截面大于撞击段7-1横截面，动力段7-3为圆盘形状，动力段7-3横截面大于支撑段7-2横截面。

侵彻杆7，用于撞击复合材料试验件15，实现复合材料试验件15的高应变率加载状态，根据试验需要可以调整侵彻杆7前端几何形态，如圆柱形、方形柱、菱形柱等，侵彻杆7分为三段，分别是撞击段7-1、支撑段7-2和动力段7-3，撞击段7-1横截面需小于夹持端支座2的入射槽口5尺寸以满足其自由撞击的需要，支撑段7-2与侵彻杆滑槽9的尺寸匹配，支撑段7-2横截面需大于夹持端支座2的入射槽口5，以实现其在穿透试验件15后达到极限距离时停止运动，避免破坏夹具，动力段7-3用于入射杆6与侵彻杆7的有效撞击，基于能量守恒定律可以确定侵彻杆7的运动速度，其中动力段7-3横截面需大于侵彻杆滑槽9的槽口尺寸。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步说明，四个高速相机(均为超高速数字摄像机)附近均设置有补偿光源(作用是为高速相机提供合适光照，数量和放置位置可根据实际试验情况进行调整)。

具体实施方式五：如图1-图3所示，本实施方式披露了一种利用具体实施方式四所述的夹具进行复合材料侵彻过程解析研究的试验方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：试验准备阶段；

将夹具的夹持端底板1及侵彻杆支座8固定在轻气炮试验装置平台上后，组装夹具及安装复合材料试验件15，并将入射杆6装入轻气炮加载装置发射端；

步骤二：试验开展阶段；

(1)开启激光测速仪10、高速相机、高频激光位移计16、红外热成像仪13(属于多物理量同步采集测量设备)，同时开启补偿光源；

(2)调整轻气炮气室气压(气压大小需要进行预实验，不同轻气炮的气室容量、弹体质量和弹道光滑程度共同确定预期速度对应的加压量级)，以满足入射杆6的预期冲击速度，通过控制轻气炮气室空气阀发射入射杆6；

(3)入射杆6撞击侵彻杆7后，侵彻杆7沿侵彻杆滑槽9向前移动，侵彻杆7的撞击段7-1撞击复合材料试验件15；

(4)激光测速仪10、高速相机、高频激光位移计16、红外热成像仪13同步入射杆6发射时开始多物理量采集；

步骤三：试验结果分析及后处理阶段；

(1)获取两个激光测速仪10采集数据，分别得到侵彻杆7、入射杆6的入射速度V

(2)(考虑到常用的树脂基复合材料是脆性材料，开展本试验后)复合材料试验件15会有三种可能状态，即状态A是完全断裂状态(即侵彻杆7贯穿复合材料试验件15)；状态B是临界状态(即复合材料试验件15断裂但侵彻杆7未贯穿)；状态C是未断裂状态，复合材料试验件15已经出现损伤(但侵彻杆7撞击后直接反弹)；

(3)获取高速相机二11-2的采集结果，基于像素标定法计算侵彻杆7入射速度(撞击速度)V

计算V

其中：V

(6)获取高速相机一11-1的采集结果，观测分析试验过程中在不同形状侵彻杆7以不同速度撞击下复合材料试验件15的原位损伤模式，即对应A、B和C三种不同状态的复合材料试验件15的阶段性损伤特征和失效模式，如经向、纬向纤维束拉伸及剪切损伤、面外压缩损伤、面内剪切损伤、层间分层损伤等，为后续开展此类复合材料动态本构模型的研究提供损伤模型方面的支撑，采用与步骤三(3)相同的标定系数c，基于像素标定法计算复合材料试验件15的挠度；

试验前在确定好高速相机二11-2的位置后，会拍摄一个静置的标定物体，已知该物体的长度为D，照片内对应该长度的像素坐标距离为d，计算标定参数c；

c＝d/D(式三)此式也适用于步骤(3)中c的计算；

在试验过程中基于高速相机一11-1记录复合材料试验件15侧面的变形过程，变形过程中在Δt时间内复合材料试验件15侧面中心点(复合材料试验件15厚度面的中心)沿侵彻方向的变形的像素坐标距离为W，计算复合材料试验件15的挠度w；

w＝W/c(式四)

(7)获取高速相机三11-3、高速相机四11-4的采集结果，分析试验过程中在不同形状侵彻杆7以不同速度撞击下复合材料试验件15侵彻区域背面的应变、位移变化，基于三维数字图像相关方法对高速相机三11-3、高速相机四11-4采集到的散斑图像进行识别和计算(通过高速相机配套的软件模块化功能实现)，实现两组采集图像中分析点的一一对应，计算得到复合材料试验件15侵彻区域背面的三维位移场，根据空间坐标点(x

式五中，由上至下的前三个计算公式分别计算的是11、22和12方向的面内应变分量，等效应变由式五最下面的公式计算得出；11方向定义为材料面内纵向方向，22方向定义为材料面内横向方向、12方向定义为材料面内剪切方向；

通过偏微分算法计算散斑区域的表面应变率张量和等效应变率，计算公式六如下；

式六中，由上至下的前三个计算公式分别计算的是11、22和12方向的面内应变率，等效应变率由式六最下面的公式计算得出；

P：表示复合材料试验件15侵彻方向的背面散斑区域任意一点；

(6)获取高频激光位移计16的采集结果，分析复合材料试验件15侵彻区域中心沿侵彻方向的变形过程；

(7)获取红外热成像仪13的采集结果，分析试验过程中在不同形状侵彻杆7以不同速度撞击下，复合材料试验件15侵彻区域对应试验状态A、B和C的温度变化，对比高速相机一11-1同步采集获得的复合材料试验件15原位损伤模式，建立复合材料损伤状态同结构温度的相关性表征模型(建立唯象经验模型，分析复合材料试验件15试验过程中的原位损伤模式及其温度变化的相关性，如某一种损伤模式出现会对应该区域突然的温升或温降)；

(8)分析侵彻试验过程中在不同形状侵彻杆7以不同速度撞击下复合材料试验件15的能量吸收情况。

6、根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：步骤一中，组装夹具及安装复合材料试验件15具体为：

将侵彻杆6滑动穿过侵彻杆支座8的滑槽橡胶圈并对准夹持端支座2的入射槽口5，将入射杆6装入轻气炮加载装置发射端，将复合材料试验件15放置在夹持端支座2的凹槽内，并通过水平移动上固定滑块3和下固定滑块4，使上固定滑块3和下固定滑块4满足复合材料试验件15上下端沿侵彻方向的固支约束条件后，通过夹持连接螺栓连接固定夹持端支座2与上固定滑块3、下固定滑块4，实现复合材料试验件15的有效夹持；同时要保证入射杆6中心、侵彻杆7中心、复合材料试验件15侵彻区域中心满足三点一线的对中状态；之后，将两个激光测速仪10分别设置在侵彻杆支座8与夹持端支座2之间的外侧以及入射杆6与侵彻杆支座8之间的外侧(调试两个激光测速仪10，确保能有效测量侵彻杆7、入射杆6的入射速度)；在复合材料试验件15的侧面方向设置高速相机一11-1、高速相机二11-2，其中高速相机一11-1对准复合材料试验件15的侧面，高速相机二11-2对准侵彻杆7的撞击段区域，在复合材料试验件15侵彻方向的背面方向设置高速相机三11-3和高速相机四11-4；将高频激光位移计16对准复合材料试验件15侵彻区域背面的中心区域(如果关注其它区域也可以根据试验需要进行调整)，以采集复合材料试验件15侵彻区域中心沿侵彻方向的位移时程曲线；将红外热成像仪13设置在复合材料试验件15侧面方向。

(1)根据试验预期加载方向设计、制备、切割复合材料试验件15，如图1是对应复合材料试验件15面外方向侵彻试验；

(2)根据试验需要设计侵彻杆7，根据试验撞击姿态、撞击角度等不同需要，可以将侵彻杆7的撞击段7-1设计成不同几何形状，如图1、图2所示，对应的是正方冲头侵彻杆正向撞击复合材料试验件15的试验状态；

(3)将夹具的夹持端底板1固定在轻气炮试验装置平台上，移动夹持端支座2到合适位置后与夹持端底板2固定连接；

(4)将夹具的侵彻杆支座8固定在轻气炮试验装置平台上，依次安装侵彻杆滑槽9、滑槽橡胶圈；

(5)将入射杆6装入轻气炮加载装置发射端，将侵彻杆7插入滑槽橡胶圈，调整侵彻杆7撞击姿态，安装高频激光位移计16，确保入射杆6中心即轻气炮炮口中心与侵彻杆7中心位于同一直线上；

(6)将复合材料试验件15放置在夹持端支座2的凹槽14内，分别在夹持端支座2的上、下滑槽内通过水平移动上、下固定滑块，使上、下固定滑块满足复合材料试验件15上下端沿侵彻方向的固支约束条件后，通过夹持连接螺栓连接固定夹持端支座2与上、下固定滑块，使上、下固定滑块在侵彻试验过程中不会移动，实现复合材料试验件15的有效夹持；

(7)在固定复合材料试验件15的过程中需借助高频激光位移计16目视可见激光，确保入射杆6中心即轻气炮炮口中心、侵彻杆7中心、复合材料试验件15侵彻区域中心满足三点一线的对中状态；

(8)调试两个激光测速仪10，确保可有效测量侵彻杆7、入射杆6的入射速度；

(9)在复合材料试验件15的侧面方向设置高速相机一11-1、高速相机二11-2，其中高速相机一11-1对准复合材料试验件15的侧面，高速相机二11-2对准侵彻杆7的撞击段区域，考虑到本试验方法需基于像素标定法计算侵彻杆7撞击速度和反射速度，需要在侵彻杆7的撞击段区域进行高亮标记以便于标定，调整补偿光源位置确保可以清晰拍摄，调整高速相机硬件设置，设置采集频率等参数以满足本试验的采集拍摄需求；

(10)在复合材料试验件15侵彻方向的背面方向设置高速相机三11-3和高速相机四11-4，借助高速相机三11-3和高速相机四11-4，将基于三维数字图像相关方法计算复合材料试验件15侵彻区域的全场应变、位移等物理量，考虑到三维数字图像相关方法是基于双目立体成像原理实现，两台高速相机需比照人眼按照一定角度放置，构成双目立体观测系统，同时考虑到计算区域(即散斑区域，也就是复合材料试验件15侵彻区域背面)需要包含足够的像素信息来保证被有效识别，因此试验前需在复合材料试验件15的观测表面绘制满足条件的随机分布散斑图案，调整补偿光源位置，完成标定预试验，调整高速相机硬件设置，设置采集频率等参数以满足本试验的采集拍摄需求；

(11)调试高频激光位移计16，确保可以有效采集复合材料试验件15侵彻区域中心沿侵彻方向的位移时程曲线；

(12)在复合材料试验件15侧面方向设置红外热成像仪13，对准复合材料试验件15侧面，调整采集频率以满足试验采集需求。

7、根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：步骤三(8)具体为：

(a)对于状态A，计算复合材料试验件15贯穿时的能量吸收:

式中：E是指能量吸收数值，m

(b)对于状态B，能够获得复合材料试验件15的临界能量吸收阈值：

式中：V

(c)对于状态C，计算复合材料试验件15未贯穿时的能量吸收：

由此获得不同条件下的复合材料试验件15挠度、侵彻区域背面应变/位移、复合材料试验件15中心沿侵彻方向的变形以及复合材料试验件15的能量吸收情况将为后续开展有限元仿真的模型有效性验证工作提供支撑。

根据复合材料试验件15的夹持状态及材料特点，定义侵彻方向即复合材料试验件15厚度方向为材料的33方向，长度方向和宽度方向为复合材料试验件15材料的11、12方向；33方向定义为材料厚度法向方向。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。