三維等損傷環境譜的編制原理和方法

張福澤空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

三維等損傷環境譜的編制原理和方法

張福澤*
空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

研究給出了一種真實使用環境的溫度、濕度和時間三維日歷壽命定壽譜。它包含：使用環境的原始參數的實測和統計，參數合并和等腐蝕損傷折算，使用環境下的3個參數任意組合的三維譜編制。該三維譜可根據日歷壽命計算或試驗需要，編制成多級溫度和多級濕度譜，也可編制成一級溫度和一級濕度譜。從理論上講，由于這些不同的譜具有相同損傷，因此最終計算和試驗給出的日歷壽命相等，從而可消除腐蝕領域的“當量折算”這個不準確環節，使日歷壽命確定更加可靠。

金屬日歷壽命； 腐蝕； 腐蝕等損傷折算； 三維環境譜； 溫度； 濕度； 時間

環境譜是機械日歷壽命確定的基石，它在日歷壽命確定中的作用，相當于蓋樓的地基作用。這個道理大家都了解，但至今，國內外在機械日歷壽命研究中，尚沒有找到直接用真實環境的溫度、濕度和時間進行編制等損傷譜的理論和編制方法。1999年，文獻[1]研究給出了一種金屬機件腐蝕損傷日歷壽命模型和確定方法，它可用相關的溫度、濕度、時間和腐蝕性能曲線，進行金屬機件日歷壽命計算和試驗，可直接給出使用日歷壽命。這在國際機械日歷壽命研發中，稱得上是重要的里程碑。由此人們可以直接用真實使用環境參數(腐蝕溫度、濕度和時間)計算機械日歷壽命，可以說，這是該領域中的重大突破。文獻[1]雖然建立了日歷壽命模型，但沒有給出如何編制溫度、濕度和時間的三維腐蝕環境譜的方法，截至目前，國外也沒有相關成果發表。本文針對日歷壽命計算和試驗的需要進行如下研究。

1 使用環境的原始參數

1.1 原始參數的實測地區

1) 原始參數地區的選擇：根據《區域定壽法》[2]的原則，在全國選定有代表性的若干個地區。

2) 原始參數實測單位：最好是專職的監測站。

1.2 原始參數監測的參數和內容

1) 原始統計參數：溫度T、濕度RH、時間h以及與腐蝕相關的各種介質成份及含量。

2) 原始統計參數的監測內容：監測每1年每1天每1小時的溫度、濕度、時間和各介質含量的變化值。

2 三維等損傷譜編制原理和方法

2.1 三維等損傷譜的由來

由于原始參數(T、RH和h)值是每年每天每小時的監測值，這些監測值繁多又無序，無法用于日歷壽命試驗，因此必須在各參數間進行合理地合并，使T、RH和h值可控而有序。但由于各國的專家們一直沒找到合理的合并原理和方法，因此直到今日仍無法編制出等損傷譜。自文獻[1]給出金屬材料的T-H曲線和RH-H曲線之后，本文開始研究如何利用T-H曲線和RH-H曲線編制日歷壽命的三維等損傷環境譜。所謂三維等損傷環境譜，它包含3個參數和等腐蝕損傷兩方面內容。三維是指使用環境中的溫度T、濕度RH和時間h的組合體；等損傷是指在編譜過程中各參數的合并和各譜之間轉換都是等腐蝕損傷的，保證編出的各種譜都是三維等損傷譜。

2.2 合理確定使用溫度和濕度的門檻值(Tw和RHw)

為了編制出可用于日歷壽命試驗的三維等損傷譜，必須舍棄對金屬腐蝕損傷無貢獻或貢獻很小的溫度T和濕度RH。舍棄標準就是它們的門檻值Tw和RHw。Tw和RHw的理論值可根據材料T-H曲線和RH-H曲線的持久極限值(Tk和RHk)[3]確定。即Tw≤Tk、RHw≤RHk，如圖1和圖2所示。

圖1 材料的T-H曲線

Fig.1 T-H curve of material

圖2 材料的RH-H曲線

Fig.2 RH-H curve of material

2.3 參數之間的互相等損傷換算式

在文獻[1]發現T-H曲線和RH-H曲線之前，是無法在編制環境譜中進行參數間互相等損傷換算的。有了T-H曲線和RH-H曲線之后，這個等損傷換算就可以解決了。參見圖1和圖2可知，由于T-H曲線和RH-H曲線上任意點的腐蝕損傷值都相等，因此在曲線的線性段內，可得式(1)和式(2)：

(1)

(2)

2.4 原始三維等損傷譜

表1 1年原始三維平均譜

3 海南三維等損傷環境譜

3.1 陵水原始三維平均譜

表2所示的陵水原始三維平均譜是從海南萬寧監測站5年(2005—2009)的監測數據中，刪除溫度T≤5.5 ℃和濕度RH≤65%的數據之后，用平均計算法計算出來的譜[4-5]。由于萬寧屬陵水地區，因此稱陵水環境譜。

3.2 陵水原始三維平均譜損傷計算

表2中陵水原始三維平均譜的腐蝕損傷計算如表3所示。本文中腐蝕損傷計算的H值取自文獻[6]中LY12CZ的T-H曲線和RH-H曲線試驗數據(損傷臨界值Dc=0.1 mm)。

3.3 陵水三維等損傷試驗譜

由于原始三維平均譜需要的試驗時間太長，用于試驗必須按等損傷換算原則，進行折算，使試驗時間降低。

1) 表2的70%、75%向80%折算，85%、95%向100%折算，折算過程和結果如式(3)～式(13)和表4所示，其中H為腐蝕到損傷容限時的小時數。

(3)

表2 海南陵水5年原始三維平均環境譜

表3 原始三維平均譜的損傷D計算

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

2) 表4中10 ℃向15 ℃折算，35 ℃向30 ℃折算，得到表5所示的譜和表6所示的損傷計算，各折算譜的計算式省略，只給折算結果譜。

表4 海南陵水1年三維等損傷使用環境譜

3)表5譜中的80%向100%折算，得表7。

4) 表7譜中的15 ℃、20 ℃向35 ℃折算，得表8。

5) 表8譜的90%向100%折算，得表9。

6) 表8譜的25 ℃向40 ℃、30 ℃向50 ℃、35 ℃ 向60 ℃折算,得表10。

表5 表4譜的等損傷折算譜

Table 5 Equal damage conversion spectrum of Table 4 spectrum h

RH/%T/℃15202530∑hi80201.3431.91328.91234.6903.275.81067.0248.410052.3144.1363.481.25232.1(7.3months)

表6 表5譜的損傷D計算

表7 表5譜的等損傷折算譜和D計算

Table 7 Equal damage conversion spectrum of Table 5 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃15202530∑hi90100hi3.275.81067248.4Hi40320268802016016128hi85.8200.8516.8212.8Hi105186834506140192410.6(3.3months)∑hi/HiD=0.2638

表8 表7譜的等損傷折算譜和D計算

Table 8 Equal damage conversion spectrum of Table 7 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃253035∑hi901067248.439.0100516.8212.8125.12209.1(3.07months)∑hi/HiD=0.2638

表9 表8譜的等損傷折算譜和D計算

Table 9 Equal damage conversion spectrum of Table 8 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃253035∑hi100hi784.7274.7134.8Hi5061401933321194.2(1.66months)∑hi/HiD=0.2639

表10 表8譜的等損傷折算譜和D計算

Table 10 Equal damage conversion spectrum of Table 8 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃405060∑hi90100hi609.7138.019.5Hi1152089606720hi295.5121.366.0Hi2894229117581250(1.7months)∑hi/HiD=0.2638

7) 表9中的25 ℃向40 ℃、30 ℃向50 ℃、35 ℃ 向60 ℃折算,得表11。

表11 表9譜的等損傷折算譜和D計算

Table 11 Equal damage conversion spectrum of Table 9 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃405060∑hi100hi448.7156.671.1Hi2894229117580.94months∑hi/HiD=0.2638

4 重慶三維等損傷環境譜

4.1 重慶5年原始平均譜

刪除對腐蝕影響小的T≤5.5 ℃和RH≤70%數據之后，留下的有效RH與T對應h的5年(2005—2009)有效原始平均譜，如表12所示。

表12 重慶5年原始三維環境譜

Table 12 Five year original 3D spectrum of Chongqing environment h

RH/%T/℃101520253075154.4114.698.0149.4121.680228.2150.0132.6201.889.685329.6187.8184.6266.260.890403.0232.8303.2326.437.095355.8329.0455.2338.222.0100114.0105.6209.4114.010.0∑∑hi/HiD=0.2452

4.2 重慶等腐蝕損傷折算的試驗譜

1) 表12中的75%向80%、85%向90%、95% 向100%折算，得表13。

表13 表12譜的等損傷折算

Table 13 Equal damage conversion spectrum of Table 12 spectrum h

RH/%T/℃101520253080363.9247.1211.5319.4184.190680.0379.0428.9494.173.4100262.7241.7393.9249.718.8

2) 表13中的15 ℃向30 ℃折算，得表14。

表14 表13譜的等損傷折算

Table 14 Equal damage conversion spectrum of Table 13 spectrum h

RH/%T/℃10202530∑hi80363.9211.5319.4331.790680.0428.9494.1225.1100262.7393.9249.7111.24072.1(5.7months)

3) 表14中的10 ℃、20 ℃、25 ℃分別向35 ℃、40 ℃、45 ℃折算，得表15。

表15 表14譜的等損傷折算譜

Table 15 Equal damage conversion spectrum of Table 14 spectrum

RH/%T/℃30354045∑hi80331.7161.3115.0180.690225.1170.6183.8247.1100111.261.6166.8126.22080.4(2.9months)

4) 表15中的80%向100%折算，得表16。

5) 表15中的80%、90%向100%折算，得表17。

表16 表15譜的等損傷折算

Table 16 Equal damage conversion spectrum of Table 15 spectrum h

RH/%T/℃30354045∑hi90225.1170.6183.8247.1100146.677.9178.6144.81373.9(1.9months)

表17 表16譜的等損傷折算譜和D計算

Table 17 Equal damage conversion spectrum of Table 16 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃30354045∑hi100202.6120.2224.7207.5Hi4019333228942557755(1month)∑hi/HiD=0.2453

6) 表17的30 ℃、35 ℃向50 ℃折算，45 ℃向60 ℃折算，得表18。

表18 表17譜的等損傷折算譜和D計算

Table 18 Equal damage conversion spectrum of Table 17 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃405060∑hi100hi224.7198.1142.7Hi289422911758565.5(0.79months)∑hi/HiD=0.2453

7) 表13中的80%、90%向100%折算，得表19。

8) 表19中15 ℃、25 ℃分別向40 ℃、50 ℃折算，10 ℃、20 ℃、30 ℃向60 ℃折算，得表20。

表19 表13譜的等損傷折算譜和D計算

表20 表19譜的等損傷折算譜和D計算

Table 20 Equal damage conversion spectrum of Table 19 spectrum and calculation h

RH/%T/℃405060∑hi100hi105.0185.9224.6Hi2894229117580.72months∑hi/HiD=0.2452

5 結 論

1) 本文在國際機械日歷壽命研究中，首次給出三維等損傷使用環境譜。三維環境譜能真實地反映機械在外場的使用情況，這是因為機械在外場使用中，每天的任何時間都是溫度、濕度和介質等同時作用，不是分別作用。那種分別編制的溫度-時間和濕度-時間的二維譜[7]，由于兩個二維譜的溫度和濕度計算方法不同，因此兩種譜的時間相差很大，這對日歷壽命試驗會產生不真實的結果。三維譜在試驗中，能實現在同一時間里同時施加溫度、濕度和介質，使日歷壽命確定更準確。

2) 在國際環境譜研究中，首次用材料的T-H曲線和RH-H曲線進行不同溫度、不同濕度間的等損傷折算，因此可編制出任何級別溫度和任何級別濕度的三維等損傷環境譜。由于這些譜與原始譜是等損傷的，因此用它們進行試驗，不僅降低了試驗時間，還可以刪除“當量折算”這個不準確的環節。

3) 在中國首次給出海南陵水地區5種1年的三維等損傷環境譜和重慶地區8種1年的三維等損傷環境譜。這些譜都是根據這兩個地區5年監測數據經過等腐蝕損傷折算編制出來的，可供日歷壽命試驗選用。根據文獻[8]試驗研究，使用溫度譜適用于金屬材料日歷壽命試驗，高溫譜40～80 ℃適用于涂層日歷壽命試驗。

4) 本文提出的溫度門檻值Tw和濕度門檻值RHw的取值如何準確確定，有待深入研究和討論。

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張福澤 男， 高工， 中國工程院院士。主要研究方向： 飛機壽命。

Tel: 010-66713310

E-mail: zhangfuzemail@163.com

Received： 2015-09-30； Revised： 2015-11-28； Accepted： 2015-12-14； Published online： 2015-12-22 14:59

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151222.1459.002.html

*Corresponding author. Tel.： 010-66713310 E-mail: zhangfuzemail@sina.com

Drawing up principle and method of 3D damage environmentspectrum of metallic calendar life

ZHANG Fuze*

AeronauticalArmamentsResearchInstitute,EquipmentAcademyofAirForce,Beijing100076,China

This paper has developed a principle and method of the 3D damage environment spectrum of metallic calendar life, which is made through the operating temperature, humidity and time. It contains actual measurement and statistics of the original parameter of the operating temperature; the formation principle of equal corrosion damage spectrum; 3D spectrum formation method made of the random combination of 3 parameters (temperature, humidity and time) of operating environment. Then cases of various 3D spectrum of two regions, namely, Hai Nan and Chong Qing are provided. This 3D spectrum can form a multi-layer humidity and multi-layer temperature spectrum on the basis of calendar life calculation and test demand. Meanwhile, 3D spectrums of one-layer humidity with multi-layer temperature spectrum or 3D spectrums of any other random combination can be formed. Theoretically, since these different spectrums are under equal damage, the calendar lives of final calculation and test are the same. In this way, the inaccurate “equivalent conversion” phase in the field of corrosion can be eradicated, making the determination of calendar life more reliable.

metallic calendar life; corrosion; convent of equal corrosion damage; 3D environment spectrum; temperature; humidity; time

2015-09-30；退修日期：2015-11-28；錄用日期：2015-12-14； < class="emphasis_bold">網絡出版時間：

時間： 2015-12-22 14：59

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.Tel.： 010-66713310 E-mail: zhangfuzemail@sina.com

張福澤． 三維等損傷環境譜的編制原理和方法[J]． 航空學報, 2016, 37(2): 381-389. ZHANG F Z. Drawing up principle and method of 3D damage environment spectrum of metallic calendar life[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 381-389.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0338

V215.5

：A

： 1000-6893(2016)02-0381-09

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