模擬加速腐蝕專家模擬器軟件在美海軍飛機腐蝕損傷評估中的應用

劉靜,羅勇,周漪,何建新,劉雪松

(西南技術工程研究所,重慶400039)

模擬加速腐蝕專家模擬器軟件在美海軍飛機腐蝕損傷評估中的應用

劉靜,羅勇,周漪,何建新,劉雪松

(西南技術工程研究所,重慶400039)

摘.要:介紹了美國海軍規劃開發的飛機結構腐蝕損傷評估建模和仿真分析系統,預測了由點蝕、應力腐蝕開裂和剝蝕引起的飛機結構腐蝕損傷性能退化趨勢,這三種腐蝕類型是海軍飛機相關腐蝕故障的主要來源。該系統是通過擴展現有加速腐蝕專家模擬器(ACES)軟件產品而獲得,軟件系統由基于物理數據的程序算法、基于試驗數據的經驗統計模型和人工智能方法組成。

腐蝕;仿真和建模;海軍飛機;人工智能

美國海軍每年所有軍事服務系統和基礎設施腐蝕所產生的總直接花費估計已高達20億美元[1—6]。涉及到軍用飛機,腐蝕不僅是關于花費和裝備戰備完好性的問題,更是人員和資產潛在的安全風險問題,腐蝕及其造成的結構完整性損失造成了大量災難性事件的發生。美國聯邦航空局、國家運輸安全委員會和美國軍用飛機事故和事件報告分析顯示,所報告事故中10% ～16%與腐蝕有關。美國海軍收集了大量由于腐蝕造成飛機事故,包括F/A-18, P-3,C-130和F5飛機[7]。美國空軍在經歷了6架F-16飛機墜毀后,調查結果是鍍錫電氣連接器插腳與配對用鍍金插座之間的摩擦腐蝕,腐蝕產物導致引腳間短路,此次事故造成了1.2億美元損失。最危險的腐蝕形式是點蝕、剝蝕和應力腐蝕開裂,這些遠比均勻腐蝕后果更嚴重,因為它們往往會發生在非常小的區域,很難檢測到,同時對結構的完整性具有顯著影響。F/A-18飛機后緣襟翼的疲勞失效就是由腐蝕坑引發的裂紋導致[8]。

腐蝕影響分析以及分析后采取的措施都需要新技術,以便利用合理的結構化框架決定維修、更換或退役,該框架可使得安全性和結構完整性的要求與經濟壓力的要求相平衡。GCAS公司按照美國軍方合同已經開發出了模擬加速腐蝕專家模擬器(ACES)軟件,用于模擬輪式車輛由于全面腐蝕、電偶腐蝕和縫隙腐蝕而隨時間的劣化趨勢[9—10]。2011年6月,GCAS獲得一份海軍航空兵(NAVAIR)合同對這種架構進行拓展,以便適用于軍用飛機結構,并且結合點蝕、剝蝕和應力腐蝕開裂等3種腐蝕類型進行相關開發。該軟件由基于物理的程序算法、基于試驗數據的經驗統計模型以及通過主題專家和案例學習表征知識的人工智能方法組成。飛機的全3D幾何模型作為輸入,模型的幾何形狀特征識別使用并行計算圖形處理單元(GPUs)進行處理。此外,為適應未來發展需求,開發帶有學習算法的知識獲取模塊,將有助于ACES系統功能隨時間的擴展,提供用戶界面允許將新知識自動增加到ACES知識庫。

1 美國陸軍ACES概述

按軍方合同[10],GCAS設計開發了基于人工智能的建模與仿真產品,稱之為加速腐蝕專家模擬器(ACES)。為美國陸軍開發的ACES系統,預測輪式車輛腐蝕隨時間的惡化趨勢,如圖1所示。一般的概念是,以3-D CAD/CAE幾何結構、材料、涂層、輔助數據、維護數據、運營公司數據和環境數據作為輸入,在GPU并行處理系統中以物理、統計、嘗試方式相組合的推理引擎上執行模擬運算,預測隨時間推移由于涂層老化和基體腐蝕帶來的外觀變化。

圖1 輪式車輛和飛機的ACES相關概念Fig.1 ACES-related concepts for wheeled vehicles and aircraft

陸軍版本的ACES包含全面腐蝕、電偶腐蝕和縫隙腐蝕等3種類型腐蝕的算法,適用于輪式車輛,飛機上也很常見。在飛機上消除上述3個條件,受到實用性、功能性和可行性的限制。由于質量、成本和功能性問題,異種金屬接觸并不能完全避免,但可通過表面處理、電鍍、涂裝和密封的方式最大限度地減少腐蝕電勢差。水不可避免,但它可以通過排水路徑、排水孔、密封劑和腐蝕緩蝕劑加以控制,控制水的存在通常是最有效的預防手段。

2 海軍航空兵在ACES上的擴展

飛機腐蝕最危險的3種類型是點蝕、剝蝕和應力腐蝕開裂,它們很難被檢測到,并且對飛機結構完整性有顯著影響。NAVAIR在ACES上的擴展就是開發這3種腐蝕形式的仿真模型,以及開發一個帶有學習算法的知識自動獲取模塊。

2.1 點蝕

點蝕不僅造成局部金屬損失,同時會產生一個幾何特征,誘導點蝕坑附近高應力集中,使得腐蝕結構中產生豐富的裂紋萌生區,容易導致開裂。雖然點蝕消耗很少的金屬,但如果點蝕坑位于關鍵載荷位置就可以作為應力集中區而導致疲勞失效。

2.1.1點蝕發生發展

點蝕坑的生長和擴散與底層本體金屬的溶解有關。表面膜破壞取決于電解質條件(例如pH值)、金屬/溶液界面的電化學狀態、材料性質和應力狀態。一旦點蝕坑形成,坑的生長速度依賴于材料、局部電解質條件以及應力狀態。

點蝕坑生長的2個經典模型如下所述。

1)Godard(1967):D=K(T1/3),式中:K取決于溫度、pH值、鈍化膜性質、氯離子濃度、電解質中的陰離子和陽離子,以及材料的取向。

2)Dallek(1978)[11]:I-Ip=a(t-ti)b,式中:I為溶解電流;Ip為鈍化電流;t為時間;ti是誘導時間;a是取決于鹵化物常數;b是取決于點蝕坑幾何形狀的常數。

圖2 點蝕坑大小度量的各種測量參數Fig.2 Various measurement parameters of pit size for use as pit metrics

點蝕發展是一個復雜的過程,普遍接受的觀點是在坑的成核過程中,第一步是侵蝕性陰離子在鈍化金屬表面局部吸附。一些實驗研究也表明,陰離子穿透氧化膜的首選通道是存在合金中的不連續性區域。這些不連續區域可以是非金屬夾雜物、第二相析出物、孔隙或空隙、晶粒或相位晶界,也可以是機械損傷[14],這些不連續區域最終可能成為點蝕坑成核區域。

2.1.2循環疲勞開裂

如上所述,點蝕坑的存在不僅降低了部件的強度,也形成了一個裂紋生成核心區,無論是否有載荷,無論是持續的(應力腐蝕開裂)或是循環性質的(環境輔助成核和疲勞載荷開裂)。飛機零部件上的應力可能是生產過程中的殘余應力或外部施加的循環加載。壓接套管、錐形螺栓和大變形金屬成形都將產生高的殘余拉伸應力,這可能會導致應力開裂。

如圖3所示,對比應力腐蝕開裂和腐蝕疲勞開裂。在這兩種情況下,開裂核心都處在點蝕坑,然而SCC在局部拉應力的作用下發展,并具有高度支化的網絡細裂紋特征。每個裂紋尖端在拉伸應力和腐蝕性介質中特定離子的耦合作用下,裂紋持續發展且少有局部變形征兆。

圖3 裂紋比較示意Fig.3 Comparing schematic view of the crack

2.2 應力腐蝕開裂

應力腐蝕開裂往往是韌性金屬在腐蝕性環境中受應力作用突如其來的失效,尤其是金屬在升高溫度的條件下。某些合金SCC具有高度化學特定性,其只暴露于少數化學環境中才發生SCC。此外,它是一個局部腐蝕過程,通常沒有較大或可測量的金屬損耗。

2.2.1 SCC特征

如圖4所示,SCC特征是裂紋為細小網絡型,且高度支化,開裂方向名義上是垂直于拉伸應力。每個裂紋尖端在拉伸應力和腐蝕性介質中特定離子的耦合作用下,裂紋持續發展,且少有局部變形征兆。

圖4 化學處理管道系統中316不銹鋼的SCCFig.4 SCC in a 316 stainless steel chemical processing piping system

如圖5所示,應力腐蝕裂紋可以是沿晶界或穿晶。穿晶斷裂是沿著粒狀材料晶格邊緣發生的斷裂,忽略個體晶格中的晶粒。與破壞晶粒的斷裂相比,穿晶斷裂斷口少,有鋒利邊緣,且外觀相當平滑。晶界為局部腐蝕過程提供了一個“活性路徑”。應力的作用是打開裂紋,從而防止腐蝕產物阻止活性腐蝕過程。如果拉伸應力太低以及裂紋仍然很窄,裂紋壁之間的電解質腐蝕產物趨于飽和,則SCC終止。SCC總是聯合了多個彼此相對靠近的應力腐蝕裂紋。如果開裂進程足夠長,這些裂紋最終合并形成一個大裂紋,于是就造成災難性的失效事故。

圖5 SSC機制Fig.5 SSC Mechanism

2.2.2 SCC建模

在給定情況下,引起SCC失效的曝露時間取決于現有或發展中裂紋尖端的應力強度。尖銳裂紋或傷痕尖端處的應力集中可以量化為應力強度因子K1。它決定了一個特定的合金環境組合條件下SCC裂紋生長率。當這一因子達到材料的斷裂韌性臨界值K1C時,部件將會發生災難性失效事故。這使得為避免失效在給定的負載條件下確定設計中允許缺陷尺寸。

低于K的某一閾值,稱為K1SCC,預期不會由于SCC生長裂紋,但高于此值時初始SCC的生長率隨K1的增加而增加,稱為圖6中開裂的第1階段。

圖6 SCC裂紋生長率Fig.6 Growth rate of SCC cracks

在第2階段,裂紋擴展速率是獨立的K1,取決于腐蝕性環境溫度等。在第2階段的生長過程中,K1持續增加,這導致了在第3階段中裂紋生長急劇加速,當K1達到材料斷裂韌性K1C時,最終發生快速斷裂。在給定條件下K1SCC值越高,抗SCC的預期就更好,但有些材料不會出現抗SCC閾值。

2.3 剝蝕

剝蝕是一種沿平行于部件表面晶粒邊界的腐蝕形式,造成表面處起層和剝落。腐蝕產物在未腐蝕金屬層間擴展,外觀類似于一本書的書頁,如圖7所示。剝落腐蝕多發生在片材、板材和擠壓制品,通常啟始于敏感材料的未上漆或封閉的邊緣和孔洞位置。剝蝕是沿著材料的纖維方向擴展(平行于半成品成形產生應變方向),并在這個方向伴隨著的裂紋萌生。

圖7中所示晶粒邊界剝蝕。它們發生在多個平面上,使金屬晶粒結構成葉片狀分離。剝蝕同樣造成結構損失承載能力。它是高強度鋁合金存在的問題,當合金進行軋制形成細長晶粒結構,就易出現剝蝕。當曝露于電解質中,腐蝕損傷進程沿著平行于表面的次表面路徑發展。

圖7 剝落腐蝕Fig.7 Exfoliation corrosion

剝落腐蝕被認為是一種表觀晶間腐蝕。晶間腐蝕產生的起始位置不是活性雜質偏析處,就是晶界鈍化元素耗盡處。使得這一區域及晶界周圍區域耐蝕性減小,從而優先發生腐蝕。高強度鋁合金如2× ××和7×××系列具有高度晶間敏感性[15]。

無論軍用還是商用飛機,機翼結構內部和外部以及艙底區域和飛行控制面在熱帶海洋環境中是受剝離腐蝕、電偶腐蝕、絲狀腐蝕和應力腐蝕影響最常見的[16]。其中,發生剝離腐蝕案例最多[17]。

3 ACES未來體系結構

ACES產品的大體結構如圖8所示,其中橢圓部分為NAVAIR計劃增強的部分。

圖8 ACES結構Fig.8 ACES architect

采用STEP格式將3-D CAD/CAE幾何結構連同部件材料、涂層以及諸如裝配順序這些輔助數據的詳細信息一并輸入ACES中。ACES將對幾何結構和支撐數據進行完整性檢查,確保所有必需信息無缺失或不一致的數據。

幾何結構分析器通過一套獨立的算法確定幾何結構相關因素,如陰陽極面積比、裂紋和不適當排水區域等。預先確定的環境剖面、運行剖面以及維護剖面可以描述評估對象隨時間的暴露和使用狀況。同時用戶也可以指定自定義剖面作為分析引擎的輸入,將知識庫中的準則、解決方法、腐蝕模型、參數內部關系相結合作為推理引擎的輸入。ACES知識庫和輸入因素包含腐蝕預測算法所需的各種幾何結構、設計參數、環境、使用條件以及材料特性。圖9給出了飛機腐蝕影響因素的分層結構,包含基本設計、制造過程、維護問題、使用環境、意外污染以及飛機內部的環境條件等。

圖9 典型的飛機腐蝕原因Fig.9 Typical causes and sources of aircraft corrosion

推理模塊包括基于物理模型和人工智能等2種解決引擎。人工智能解決引擎包括基于準則的“專家系統”、貝葉斯網絡模塊、馬爾可夫鏈、神經網絡、回歸方法時序分析、遺傳算法、回歸搜索技術等,這些方法可用于描述腐蝕過程的不同模型。ACES輸出的是評估對象隨時間退化的詳細報告,如單元件、部件或整個對象的腐蝕趨勢圖。ACES說明工具給用戶提供相應的輸出報告,解釋預測中用到的邏輯和推理。

3.1 專家意見征集

GCAS公司組建一個飛機腐蝕方面專家團隊,專家來自于NAVAIR、波音、洛克希德·馬丁公司、西科斯基、空軍、陸軍、大學等,團隊參與一系列研討會來建立腐蝕模型知識獲取的關鍵環節。

ACES產品結合程序化的物理方法和非程序化的人工智能方法來模擬各種腐蝕失效模式。非程序化人工智能方法參照如圖10所示的參量分析方法,預期輸出量Y是一組n個輸入自變量xi的函數,其形式為:Yj=fk(x1,x2,x3,…xn)。

圖10 人工智能分析方法Fig.10 AI analysis approach

輸出量Yj通常是評估對象不同部位隨時間推移出現腐蝕的可能性和程度,但其可以拓展,如機械故障的可能性、腐蝕成本、對象健康狀態等。輸入變量xi代表提交給系統的客觀 “事實”,如評估對象的幾何結構細節、材料、環境和使用條件等。函數fk(x)由特定的人工智能解決引擎給出,該引擎需要明確的人工智能模型與模型應用的關系和特性,這些被統稱為“知識庫”。人工智能解決引擎在推理模塊中以執行算法,包含模型、規則、關系和特性的知識庫是由諸如分析模型、試驗結果、失效數據、經驗設計準則和專家意見等信息集合而成。

3.2 知識獲取工具和學習算法

開發帶有學習算法的知識獲取工具,借助人工主題問題專家(Subject Matter Experts,SEMs)和數據挖掘方法表述/制定知識庫,其中數據挖掘方法能從現場和試驗腐蝕數據中提取新數據。學習模塊用以轉換收集的新知識,補充ACES知識庫特性和關系。

ACES知識獲取工具允許終端用戶知識工程師更新和修改ACES知識庫,用戶接口允許知識工程師改變與圖11所示函數fk相關的變量和系數。這項任務完成后,通過插入圖12左下象限所示的邏輯,可以擴展ACES產品。例如,假設一個特定函數方法fi由以下一般參數方程定義:

ACES知識獲取工具允許授權用戶編輯和修改函數方程fi中的系數ai和bi。當然,以上公式是非常簡單的,實際上用于模擬不同腐蝕傾向的方法是非常復雜的。

同時將開發一個用戶接口,允許知識工程師用戶利用學習算法庫將方法系數與外部數據庫相連接,外部數據庫與所選方法相結合自動完成更新過程。所謂“學習算法”,是指自動編輯和更新系數的算法和數值方法。

一般地說,各種基于屬性的學習算法適合從數據庫中獲取知識。數字資料和符號數據在實際應用中是同等重要的。現有的學習算法通常分為2組:數值方法,包括統計方法和神經網絡,這些方法比較適合處理嘈雜環境中的數值數據;人工智能方法,這些方法在處理符號或標定數據更加有效。

4 結語

ACES產品代表了全尺寸評估對象腐蝕傾向預測和模擬方面的重大進步。它是基于物理模型和人工智能統計學的結合。NAVAIR投資后續產品開發,集中拓展至點蝕、應力腐蝕開裂以及剝蝕的模型,以及集成知識獲取工具和學習算法。

用于飛機系統加速腐蝕專家模擬器將有顯著的效益,可為海軍航空兵提供一套模擬飛機結構腐蝕隨時間推移的模擬工具,其效益體現在艦隊和基地級檢查和維護過程中節省成本,更好地理解由點蝕、應力腐蝕開裂和剝蝕引起的飛機腐蝕本性。系統開發成果不僅服務于海軍航空兵司令部所轄有機隊飛機,還包括其他軍種飛機及商用飛機。

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Application of ACES in Corrosion Damage Evaluation of U.S.Navy Aircraft

LIU Jing,LUO Yong,ZHOU Yi,HE Jian-xin,LIU Xue-song
(Southwest Research Institute of Technology and Engineering,Chongqing 400039,China)

This paper describes the planned development of an aircraft structure corrosion damage evaluation modeling and simulation analysis system for predicting the degradation of aircraft structures due to Pitting,Stress Corrosion Cracking and Exfoliation forms of corrosion,which are the primary sources of corrosion-related failures of aircraft.The software is obtained by modification of the existing accelerated corrosion expert simulator(ACES),and is composed of an assembly of physics-based procedural algorithms,empirical-statistical models from test data and heuristic AI methods for representing knowledge from subject matter experts and lessons learned.

corrosion;simulation and modeling;navy aircraft;artificial intelligence

HE Jian-xin(1981—),Male,from Macheng,Hubei,Master,Senior engineer,Research focus:environmental test and environmental adaptability evaluation.

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.020

TG174.3

:A

1672-9242(2014)06-0124-06

2014-09-22;

2014-10-15

Received:2014-09-22;Revised:2014-10-15

劉靜(1983—),女,重慶人,工程師,主要研究方向為環境適應性試驗與評價。

Biography:LIU Jing(1983—),Female,from Chongqing,Engineer,Research focus:environment adaption test and evaluation.

何建新(1981—),男,湖北麻城人,碩士,高級工程師,主要研究方向為環境試驗與環境適應性評價。