飛機結構件腐蝕監測研究

張丹峰，譚曉明，戚佳睿

（海軍航空大學青島校區 青島 266041）

飛機結構件腐蝕監測研究

張丹峰，譚曉明，戚佳睿

（海軍航空大學青島校區 青島 266041）

運用光纖光柵傳感技術，監測飛機結構腐蝕發展規律，通過疲勞試驗研究腐蝕損傷條件下飛機結構疲勞壽命衰減規律，為飛機結構壽命管理和健康監控奠定了理論基礎和數據支持。

光纖光柵; 監測 ;腐蝕 ; 疲勞壽命

引言

腐蝕對飛機結構的損傷之大眾所周知，損傷不但會加速裂紋的產生、擴展，而且減小了裂紋斷裂的臨界尺寸，降低了材料的斷裂韌性，從而縮短了結構的裂紋形成壽命及裂紋擴展壽命，大大降低了飛機結構的使用壽命[1～3]。圖1為某型飛機的腐蝕部位圖片。當前飛機結構腐蝕一旦被發現維修人員可以做到馬上進行修復，但對于內部可達性極差的部位，它的腐蝕很難被及時發現，往往等到發現時腐蝕情況已經非常嚴重了，甚至到了無法修復的地步，嚴重威脅了飛行安全。如果能夠對飛機結構的腐蝕狀況進行及時監測，對腐蝕狀況及時告警，人們就可以更加主動地解決腐蝕問題[4]。光纖光柵的突出優點是重量較輕、尺寸較小、靈敏度較高、不受電磁干擾、耐腐蝕、機械強度高、集信息傳輸與傳感于一體等[5]。利用光纖光柵應變傳感技術可以實時監測飛機結構的腐蝕情況，對飛機結構腐蝕損傷進行監控。光纖光柵監控系統的基本組成如圖2所示。

圖1 某型飛機腐蝕情況

圖2 光纖傳感系統的基本組成

本文以某型飛機典型腐蝕關鍵結構為研究對象，針對其主要損傷形式（即腐蝕和疲勞）、主要失效形式（即腐蝕和腐蝕疲勞斷裂），運用光纖光柵應變傳感技術，進行腐蝕狀況實時監控技術研究，通過研究得到不同程度腐蝕條件下飛機結構疲勞性能衰減規律，為飛機結構壽命管理和健康監控奠定了理論基礎。

1 監測試驗

1．1 試驗件基材及試驗件

本試驗基材采用鋁合金LY12CZ預拉伸板材。試驗件取某型飛機關鍵結構形式，如圖3所示，試驗件見圖4。鋁合金板材為某型飛機主體鋁合金LY12CZ預拉伸板材，螺栓的材料是30CrMnSiNi2A合金鋼，涂H06-2底漆，再涂鋼灰色H04-2面漆，在緊固孔處涂XM-21B密封膠以增強其防腐蝕能力。

1．2 光纖光柵及其粘貼方法

根據飛機金屬結構的腐蝕特點和規律，選取合適的光柵粘貼部位，如圖5所示。

1．3 加速腐蝕試驗

為節省試驗時間，參照HB 5455-90標準進行EXCO溶液浸泡試驗。EXCO溶液配方如下：

分析純NaCl為234 g/L；

分析純KNO3為50 g/L；

分析純HNO3為6.5 g/L；

浸泡試驗溫度為實驗室溫度為22～26 ℃。

針對如圖4所示的關鍵結構模擬件進行加速腐蝕試驗。

1．4 關鍵結構腐蝕監控過程

對試驗件中的光柵波長進行實時監控，以實現對腐蝕進行實時監控的目的。圖6（a）、（b）、（c） 分別為腐蝕試驗時間為0 h、420 h和584 h時光纖光柵的反射譜圖。

腐蝕后關鍵結構模擬件厚度8.95 mm，試驗件原始厚度7.23 mm，可見腐蝕引起結構表面鼓包厚度為1.8 mm，如圖7（a）所示。將鼓包處涂層去除，發現金屬基體腐蝕嚴重，如圖7（b）所示。

圖3 結構模擬件示意圖

圖4 結構試驗件照片

圖5 關鍵結構試驗件光柵粘貼示意圖

圖6 光纖光柵反射譜圖

圖7 關鍵結構模擬件腐蝕試驗后照片

從圖8可以看出，腐蝕損傷與光柵波長變化量呈線性關系，這充分證明了用光纖光柵實時監控關鍵結構腐蝕損傷的可行性和合理性。

圖8 腐蝕監控光纖FBG30波長變化量與腐蝕損傷尺寸的關系

從圖9的監控結果可知，隨著腐蝕時間的增長，關鍵結構模擬件在初期腐蝕損傷逐漸增大，后期變化腐蝕損傷明顯加劇平緩，這與實際觀察結果是吻合的。

圖9 關鍵結構腐蝕損傷尺寸與時間的關系

通過低溫疲勞試驗機MTS810進行疲勞試驗，通過分析獲得腐蝕損傷下某型飛機典型關鍵結構的疲勞壽命衰減規律，如圖10所示。

圖10 典型關鍵結構疲勞壽命衰減規律

2 結論

本文針對目前飛機腐蝕維修技術狀況的缺陷，采用光纖光柵傳感技術，進行結構腐蝕監控技術研究，能實現腐蝕狀況實時監測，將目前腐蝕問題由被動處理模式轉變為主動模式，能規避腐蝕對飛行安全構成的威脅，將大大提高飛機的安全性和可靠性。

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Research on Real-time Corrosion Monitoring of Aircraft Structure

ZHANG Dan-feng, TAN Xiao-ming, QI Jia-rui
(Naval Aeronautical University Qingdao Branch, Qingdao 266041)

This paper lays the foundations and provides some datas for life management and health monitoring of the aircraft structure by monitoring the development of aircraft structure corrosion and fatigue life by using the fiber Bragg grating sense technology and fatigue experiments in corrsive and damaged conditions.

fiber Bragg grating; monitoring; corrosion; fatigue life

V216.2

A

1004-7204(2017)04-0032-03

張丹峰（1970-），女，博士，海軍航空大學青島校區副教授，主要從事飛機結構腐蝕防護及壽命可靠性研究。