自然環(huán)境試驗在飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命評估中應用的改進措施

張 博，張少鋒，胡湘洪，歐 永

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術研究開發(fā)中心，廣州 510610；3.廣東省工業(yè)機器人可靠性工程實驗室，廣州 510610； 4.泰州賽寶工業(yè)技術研究院有限公司，泰州 225300）

自然環(huán)境試驗在飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命評估中應用的改進措施

張 博1,2,3，張少鋒1,2,3，胡湘洪1,2,3，歐 永4

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術研究開發(fā)中心，廣州 510610；3.廣東省工業(yè)機器人可靠性工程實驗室，廣州 510610； 4.泰州賽寶工業(yè)技術研究院有限公司，泰州 225300）

從內(nèi)在因素、外在因素、保障因素、檢測評價的角度，對自然環(huán)境試驗在飛機定壽、延壽兩類工作中的應用案例進行分析，提出改進措施，對自然環(huán)境試驗在飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命評估工作中應用水平的提高起到支撐作用。

自然環(huán)境試驗；飛機結(jié)構(gòu)；日歷壽命

飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命評估工作可分為新飛機定壽和老飛機延壽兩大類[1,2]。在新飛機定壽方面，從立項階段開始，研制單位便會圍繞飛機日歷壽命指標開展相應的分析、試驗與評估工作，從設計、制造、儲存、使用、維護等多方面保障飛機日歷壽命指標，其評估工作涉及到材料、工藝、結(jié)構(gòu)、載荷、環(huán)境、保障等主要機體結(jié)構(gòu)日歷壽命影響因素研究。在老飛機延壽方面，老飛機早已完成飛機設計和制造過程，其工作更多涉及到現(xiàn)有材料、工藝、結(jié)構(gòu)在使用環(huán)境和保障條件下的日歷壽命損傷問題。基于上述現(xiàn)狀，本文分別從內(nèi)在因素、外在因素、保障因素、檢測評價的角度，對自然環(huán)境試驗在新飛機定壽、老飛機延壽兩類工作中的應用案例進行分析，提出改進措施。本文的研究成果將對自然環(huán)境試驗在飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命評估工作中應用水平的提高起到支撐作用。

1 應用案例一

某型飛機在論證、研制階段即將自然環(huán)境試驗列入研制方案中，制定了試驗方案，明確了自然環(huán)境試驗在研制過程中的目的和作用，開展了飛機結(jié)構(gòu)及防護體系日歷壽命自然環(huán)境試驗與驗證工作。從而獲得了萬余條環(huán)境影響效應數(shù)據(jù)，掌握了該型飛機典型結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷薄弱環(huán)節(jié)，為該型飛機結(jié)構(gòu)設計、工藝改進提供了數(shù)據(jù)支撐。在飛機定型階段，上述試驗取得的數(shù)據(jù)成果，與機體結(jié)構(gòu)日歷壽命其它評估方法獲得的數(shù)據(jù)（領先使用、工程分析、人工加速試驗等），共同構(gòu)成了該型飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命指標構(gòu)建的重要依據(jù)。

1.1 內(nèi)在因素

試驗樣件采用單片件、盒形件、結(jié)構(gòu)模擬件三種結(jié)構(gòu)形式，分別模擬機身重要承力框、梁，起落架外筒、輪軸；典型半封閉結(jié)構(gòu)；機身蒙皮與模鍛件、鈦合金承力構(gòu)件、平尾大軸、主起下位鎖梁等連接形式。選材覆蓋了鋁合金、鈦合金、合金鋼、不銹鋼等幾大類該型飛機結(jié)構(gòu)主要材料，鏍栓連接、鉚釘連接、膠接等典型連接形式和相應防護工藝，基本涵蓋了該型飛機容易發(fā)生日歷損傷的重要部位。

1.2 外在因素

試驗地點：某海島大氣試驗站；

試驗方式：采用戶外、棚下、室內(nèi)三種試驗方式，分別模擬戶外暴露、半遮蔽、機庫三種停放環(huán)境；

試驗載荷：無外載荷加載。

1.3 保障因素

保養(yǎng)方式：試驗樣件每周清水清洗1次，并用潔凈的干抹布擦拭干凈；

維修方式：樣件損傷后返廠維修，按照飛機維修手冊進行操作，維修時間視樣件實際損傷情況而定。

1.4 檢測評價

根據(jù)樣件不同類型，采取不同檢測方法進行評價。

單片件：含涂層樣件進行色差、光澤度和外觀檢查，裸金屬樣件進行外觀檢查；

連接件：板材部分進行色差、光澤度和外觀檢查，連接部分進行外觀檢查；

盒形件：進行外觀檢查；

綜合評級：參照GB/T 1766-2008 《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》對試驗樣件進行綜合評級。

2 應用案例二

某型飛機在使用過程中，出現(xiàn)了一定程度日歷壽命與工作壽命不匹配問題，需要對該型飛機日歷壽命進行延壽，開展飛機結(jié)構(gòu)及其防護體系日歷壽命自然環(huán)境試驗與驗證工作。從而獲得了千余條環(huán)境影響效應數(shù)據(jù)，探索了疲勞加載對釘孔邊涂層細節(jié)的影響，掌握了該型飛機典型結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷薄弱環(huán)節(jié)，與后續(xù)試驗數(shù)據(jù)一起，其將為該型飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命評定和延長提供重要試驗依據(jù)。

2.1 內(nèi)在因素

試驗樣件采用含涂層模擬件，分為外部件、內(nèi)部件兩類，分別模擬機體結(jié)構(gòu)外露和半封閉部位，包括機翼上壁板、機身下蒙皮、垂尾后梁、機翼后梁、起落架艙側(cè)下梁等位置，試驗材料以鋁合金為主，并采用鏍栓連接、鉚釘連接等典型連接形式和相應防護工藝。

2.2 外在因素

試驗地點：某海島大氣試驗站；

試驗方式：外露件采用戶外試驗，內(nèi)部件采用棚下試驗，分別模擬機體結(jié)構(gòu)外露和半封閉環(huán)境條件；

試驗載荷：樣件分為加載組和對照組，加載組樣件按照模擬部位的飛行載荷譜進行折算疲勞加載，加載周期1年1次，對照組則不進行加載處理，對比觀察。

2.3 保障因素

保養(yǎng)方式：樣件分為清洗組和對照組，清洗組樣件每月清水清洗1次，并用潔凈干抹布擦拭干凈；

維修方式：目前暫無安排，計劃在后續(xù)試驗中增加維修處理，觀察維修工藝有效期限。

2.4 檢測評價

宏觀檢查：對樣件進行肉眼外觀檢查，記錄腐蝕損傷情況；

微觀檢查：利用體式顯微鏡對連接件鉚釘、螺帽等局部位置進行涂層細節(jié)觀察，研究疲勞加載對釘孔邊涂層完整性的影響；

色差和光澤度檢查；對連接件的正面板材部分進行色差和光澤度測試；

涂層厚度檢查：對連接件的正面板材部分進行涂層厚度檢查；

綜合評級：參照GB/T 1766-2008 《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》對樣件進行綜合評級。

3 改進措施

飛機日歷壽命工作是一項系統(tǒng)性、長期性工作，需要系統(tǒng)的、長期的開展機體結(jié)構(gòu)日歷壽命數(shù)據(jù)積累，積累的數(shù)據(jù)不僅要與飛機具有相同或相近的材料、工藝、結(jié)構(gòu)特點，同時也要具備與真實使用環(huán)境相同或相近的載荷、環(huán)境、保障條件輸入，這樣得到數(shù)據(jù)才能與真實日歷壽命情況有較高的對比性和參考利用價值[3～5]。

3.1 內(nèi)在因素

飛機機體結(jié)構(gòu)使用的材料、工藝、結(jié)構(gòu)數(shù)量較多且種類不統(tǒng)一，這種情況給機體結(jié)構(gòu)日歷壽命評估工作帶來了極大的不便。因此在具體開展機體結(jié)構(gòu)日歷壽命評估工作之前，首先需要確定機體結(jié)構(gòu)材料、工藝、結(jié)構(gòu)因素的日歷壽命涵蓋范圍，選取樣件既要具有一定的代表性，又要具有一定的覆蓋率。

在上述兩案例中，案例一選材覆蓋了鋁合金、鈦合金、合金鋼、不銹鋼等飛機主要結(jié)構(gòu)材料，單片件、連接件、盒形件等典型結(jié)構(gòu)形式，鏍接、鉚接、膠接等典型連接方式及相應防護工藝，考慮較為全面。案例二對材料因素考察主要以鋁合金為主，結(jié)構(gòu)形式以連接件為主，針對性較強，集中考察了外在因素對結(jié)構(gòu)關鍵部位/薄弱環(huán)節(jié)的影響。案例一是為新機型定壽，自然環(huán)境試驗在飛機論證階段即已開展，試驗過程中獲得的數(shù)據(jù)不斷實時反饋研制單位，在飛機定型前即可獲得較為系統(tǒng)、完整的試驗數(shù)據(jù)，在該型飛機設計研制及日歷壽命評估方面有重要參考價值。型號2是為老飛機延壽，老飛機早已定型，其設計因素較難更改，需要延壽的飛機通常已使用10～20年，積累了大量故障損傷經(jīng)驗，因此在開展延壽工作時，主要針對飛機關鍵部位進行考核，以此達到對飛機延壽的目的。

改進措施：在完成試驗目標方面，上述兩案例對各自材料、工藝、結(jié)構(gòu)因素的考慮已基本較為全面，能夠滿足試驗要求。除此之外，還應加強對局部結(jié)構(gòu)的重視程度，結(jié)構(gòu)損傷常發(fā)生在局部位置處，尤其是在一些封閉/半封閉結(jié)構(gòu)部位，局部結(jié)構(gòu)空間小，易產(chǎn)生環(huán)境自催化效應，導致嚴重腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 外在因素

外在因素對飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命影響分為兩類，地面停放環(huán)境影響和空中飛行載荷影響。

1）在地面停放方面，機體結(jié)構(gòu)主要遭受大氣環(huán)境中溫度、濕度、鹽霧、降雨、日照等多種環(huán)境因素的綜合作用，自然環(huán)境試驗以外界自然環(huán)境條件為應力輸入，基本可以涵蓋地面停放環(huán)境的主要影響因素。案例一、案例二選擇的試驗地點為永興島西沙試驗站，選擇西沙站開展試驗評估工作符合我國戰(zhàn)略發(fā)展方向；同時，在氣候類型上，西沙試驗站屬于典型高溫、高濕、高鹽霧熱帶海洋性氣候區(qū)域，綜合環(huán)境條件極為嚴酷，可快速暴露機體結(jié)構(gòu)及其防護體系缺陷，得到機體結(jié)構(gòu)日歷壽命下限參考值。在試驗方式上，案例一采用戶外、棚下、室內(nèi)試驗方式，模擬戶外暴露、半遮蔽、機庫三種停放環(huán)境；案例二有針對性的開展戶外、棚下試驗，模擬機體結(jié)構(gòu)外露、半封閉環(huán)境條件。在不同試驗目的下，兩種選用方式各有所長，但顯然型號1環(huán)境條件覆蓋更為全面，可參考利用數(shù)據(jù)更多。

2）在飛行載荷方面，載荷不僅會破壞表面涂層完整性，同時也會影響基體金屬腐蝕類型和腐蝕速率，對機體結(jié)構(gòu)日歷壽命影響較大。案例一未考慮載荷因素對機體結(jié)構(gòu)日歷壽命的影響；案例二則將試驗樣件劃分為疲勞試驗組和對比組，按照模擬部位等效載荷譜定期對樣件進行疲勞加載，觀察疲勞載荷對飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命的影響。

改進措施：按載荷性質(zhì)劃分，飛行載荷可分為靜載荷、動載荷、疲勞載荷、熱載荷四大類。案例二主要考慮了疲勞載荷對機體結(jié)構(gòu)表面涂層完整性的影響，但影響機體結(jié)構(gòu)日歷壽命的載荷因素還有很多，如靜載拉應力、摩擦磨損等，這些載荷損傷效應都會影響機體結(jié)構(gòu)的腐蝕/老化損傷類型和損傷速率，進而影響機體結(jié)構(gòu)日歷壽命。因此，在考察飛行載荷對機體結(jié)構(gòu)日歷壽命影響時，除疲勞載荷外，應盡可能根據(jù)模擬部位實際損傷情況考慮到靜載應力、摩擦磨損等載荷損傷效應的影響，以接近機體結(jié)構(gòu)真實日歷壽命情況。

3.3 保障因素

在保障因素方面，案例一對樣件進行了清洗，并規(guī)劃了維修試驗，將樣件分成了維修組和對照組；案例二則將樣件分成了清洗組和對照組，但未規(guī)劃維修試驗。

改進措施：在保養(yǎng)方面，開展對比分析試驗有助于掌握保養(yǎng)周期、保養(yǎng)方式等保障策略，除清水清洗外，還可進行其它保養(yǎng)操作，如涂防銹油、緩釋劑等，可根據(jù)飛機實際保養(yǎng)方式進行合理規(guī)劃；在維修方面，開展維修對比試驗有助于掌握維修操作對機體結(jié)構(gòu)日歷壽命的影響，獲得的維修時間、維修后二次損傷時間對飛機日歷壽命指標體系的構(gòu)建具有較高的參考價值。建議分組開展保養(yǎng)和維修對比試驗。

3.4 檢測評價

在檢測評價方面，案例一以外觀檢查為主，輔以表面涂層色差和光澤度測試，并對涂層損傷進行綜合評級；案例二與案例一相比，增加了顯微觀察和涂層厚度等非破壞性測試。目前兩型號檢測評價仍存在定量、統(tǒng)一測試不足的缺點，不利于數(shù)據(jù)統(tǒng)籌運用，相對關系的建立。

改進措施：按性能指標類別進行劃分，機體結(jié)構(gòu)日歷壽命性能指標可分為耐蝕性、靜強度、耐久性指標三大類。對于腐蝕關鍵件，建議采用表面觀察、最大點蝕深度、電化學阻抗測試[6,7]、涂層綜合評級等方法著重考察涂層防護體系的老化失效行為和基體金屬的腐蝕損傷容限等耐蝕性指標；對于疲勞關鍵件，合理選擇疲勞、拉、壓、彎曲、剪、沖擊或裂紋探傷等力學性能測試手段著重考察靜強度、耐久性指標隨日歷時間的退化情況；對于腐蝕疲勞關鍵件，則兼顧考察兩者。

4 總結(jié)

在開展自然環(huán)境試驗與驗證工作時，應綜合考慮材料、工藝、結(jié)構(gòu)、載荷、環(huán)境、保障等因素對飛機日歷壽命的影響，利用自然環(huán)境試驗真實性、長效性特點，根據(jù)飛機使用環(huán)境和功能要求，結(jié)合地面停放-靜載損傷-疲勞損傷-保養(yǎng)維護等工作特點，制定相應自然環(huán)境試驗方案，對飛機結(jié)構(gòu)多種性能指標（耐蝕性、靜強度、耐久性等）定量評估，以接近飛機真實日歷壽命損傷情況，為日歷壽命評估工作提供參考性數(shù)據(jù)。

[1] 劉文珽,李玉海.飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命體系評定技術[M]. 北京：航空工業(yè)出版社, 2004.

[2] 劉文珽,賀小帆.飛機結(jié)構(gòu)腐蝕/老化控制與日歷延壽技術[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 2010.

[3] 蔡建平,劉建華.材料延壽與可持續(xù)發(fā)展-材料環(huán)境適應性工程[M].北京：化學工業(yè)出版社, 2014.

[4] 李金貴.腐蝕控制設計手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2006.

[5] 蔣祖國,田丁栓.飛機結(jié)構(gòu)載荷/環(huán)境譜[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2012.

[6] 張鑒清.電化學測試技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2010.

[7] 曹楚南,張鑒清.電化學阻抗譜導論[M]. 北京：科學出版社, 2002.

Improvement Measures of Natural Environmental Test Applied on the Aircraft Structure Calendar Life Assessment Process

ZHANG Bo1,2,3, ZHANG Shao-feng1,2,3, HU Xiang-hong1,2,3, OU Yong4
(1.The 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology of China, Guangzhou 510610; 2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology, Guangzhou 510610; 3. Guangdong Industrial Robot Reliability Engineering Laboratory, Guangzhou 510610; 4. Taizhou Industrial CEPREI Industrial Technology Research Institute, Taizhou 225300)

The research makes analysis of the natural environmental test on the aircraft structure calendar life from internal factor, external factor, guarantee factor and evaluation factor, and it proposes the improvement measures so as to makes progress in the control and management of natural environmental test on the aircraft calendar life.

natural environmental test; aircraft structure; aircraft calendar life

V258

A

1004-7204（2017）02-0015-04

張 博（1989-），男，吉林通化人，碩士，工程師，主要從事裝備環(huán)境工程方向研究。

本文由2015年工業(yè)轉(zhuǎn)型升級強基工程——裝備環(huán)境適應性公共技術服務平臺基金資助(TC150B5C0)。