基于環(huán)境腐蝕損傷的某型飛機(jī)日歷壽命的確定

楊曉華，顧志躍，張?zhí)┓?/p>

（海軍航空大學(xué) 青島分校，山東 青島 266041）

多年來世界各國的學(xué)者對(duì)飛機(jī)日歷壽命的研究從未停止過[1-2]，目前的方法大體上有兩類。一類是基于腐蝕的觀點(diǎn)[3-7]，張福澤通過飛機(jī)的使用環(huán)境譜、自由腐蝕到臨界損傷的年限、一次有效防腐蝕層的年限和飛機(jī)翻修次數(shù)給出飛機(jī)的日歷總壽命。第二類是基于疲勞的觀點(diǎn)[8-9]。劉文珽等以一般環(huán)境下疲勞壽命評(píng)定結(jié)論為基礎(chǔ)，引入綜合考慮地面停放預(yù)腐蝕與空中腐蝕疲勞影響的腐蝕影響系數(shù)，將腐蝕條件下的飛行小時(shí)數(shù)等損傷折算為當(dāng)量一般環(huán)境下飛行小時(shí)數(shù)，以達(dá)到用一般環(huán)境下疲勞壽命的評(píng)定結(jié)果修正得到腐蝕條件下疲勞壽命的目的。

文中利用張福澤的方法，通過某型飛機(jī)常用鋁合金材料的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)，得到了常用航空鋁合金材料任意腐蝕損傷的T（溫度）-H（時(shí)間）曲線。根據(jù)該機(jī)的腐蝕容限值，結(jié)合該機(jī)服役地區(qū)的使用環(huán)境譜對(duì)該型機(jī)的日歷壽命進(jìn)行了分析。

1 基于環(huán)境區(qū)域腐蝕損傷的日歷壽命模型

文獻(xiàn)[3-5]基于腐蝕的觀點(diǎn)，給出了飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命Y的計(jì)算公式：

式中：n為飛機(jī)的翻修次數(shù)；λm為飛機(jī)結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層的日歷壽命；λ為機(jī)體腐蝕到損傷容限D(zhuǎn)c所要的時(shí)間。

式中：hi為服役環(huán)境譜中各級(jí)溫濕度下的年小時(shí)數(shù)；Hi為T（溫度）-H（時(shí)間）曲線中的i級(jí)溫度腐蝕至損傷容限值所對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù)； j為m種腐蝕溫度譜中的某一種；m為腐蝕溫度譜的種類數(shù)；k為溫度級(jí)數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)的T-H曲線如圖1所示。科學(xué)合理的機(jī)體材料的 T-H曲線是通過該模型獲得飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命的關(guān)鍵。

2 某型飛機(jī)日歷壽命分析

2.1 2Al2-T3鋁合金T-H曲線

由文獻(xiàn)[3]可知，金屬材料在一定的介質(zhì)環(huán)境中，想要達(dá)到損傷容限D(zhuǎn)c，提高試驗(yàn)溫度T可以縮短試驗(yàn)時(shí)間H，降低試驗(yàn)溫度T則延長試驗(yàn)時(shí)間H。因此在溫度與時(shí)間中就存在著某種關(guān)系，稱之為T（溫度）-H（時(shí)間）曲線。

試驗(yàn)件采用 50 mm×25 mm×6 mm 的長方形2Al2-T3鋁合金，試樣面積為3400 mm2，數(shù)量為54個(gè)。試驗(yàn)件分組見表1。

試驗(yàn)件將在溫濕環(huán)境箱中進(jìn)行三種不同的溫濕度下的腐蝕，腐蝕時(shí)間為 1008 h。溫度為 20，35，50 ℃；相對(duì)濕度為100%，90%84%。

以海南陵水機(jī)場的平均日常環(huán)境腐蝕介質(zhì)為基準(zhǔn)，當(dāng)濃度d為1倍時(shí)的成分含量見表2，試驗(yàn)時(shí)濃度加至10，20，40倍。

試驗(yàn)步驟：用丙酮去除試驗(yàn)件表面油污，并對(duì)其進(jìn)行稱量；按照表2配置10，20，40倍的腐蝕溶液；按照表1對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行分組，分組完在腐蝕溶液中進(jìn)行浸泡，浸泡1～2 min后取出；放入溫濕度環(huán)境箱中進(jìn)行腐蝕，每種情況腐蝕1008 h。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，用去離子水進(jìn)行沖洗，干燥后進(jìn)行稱量，對(duì)損傷量進(jìn)行測量。

2Al2-T3鋁合金的腐蝕形態(tài)為點(diǎn)蝕，去腐蝕產(chǎn)物后，采用三維光學(xué)測量顯微鏡（OLYMPUS STM6）隨機(jī)測量5個(gè)蝕坑的深度，所有結(jié)果取平均值作為損傷量D的表征。統(tǒng)計(jì)完不同的溫濕度，不同濃度d下的腐蝕損傷量 D，即可畫出其等溫等時(shí)線。相對(duì)濕度為100%，90%，84%對(duì)應(yīng)的D-d曲線如圖2所示。

圖2中線上每一點(diǎn)都是使用環(huán)境下的溫度濕度，作用時(shí)間都是Ht。這就意味著，用濃度dt進(jìn)行Ht小時(shí)的腐蝕試驗(yàn)，可以得到Dt的腐蝕深度。用濃度d1=1腐蝕Ht小時(shí)，則得到D1的腐蝕損傷量。因此，可以得到Dt與D1的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

表1 等溫等時(shí)線制作試驗(yàn)件分組

表2 腐蝕介質(zhì)濃度1倍所含成分

當(dāng)損傷量指定時(shí)，根據(jù)式（4），可計(jì)算出在溫度T1下，腐蝕到指定損傷容限D(zhuǎn)1c所用的時(shí)間H1c。

將式（3）帶入式（4），且d1=1，得到：

式中：H1c為使用濃度、濕度和溫度下腐蝕至給定損傷容限D(zhuǎn)1c所用的時(shí)間，也就是金屬相對(duì)于損傷容限D(zhuǎn)1c的日歷壽命；Ht為試驗(yàn)濃度、濕度和溫度下腐蝕至損傷量為Dt時(shí)所用的時(shí)間；D1c為使用濃度、濕度和溫度下的腐蝕容限損傷量；Dt為試驗(yàn)濃度dt、使用濕度和溫度下，腐蝕 Ht小時(shí)的腐蝕損傷量；dt為試驗(yàn)濃度。

根據(jù)不同的溫度T，繪制出多組不同的D（損傷量）-H（時(shí)間）曲線。選定某一固定損傷值 Dc，根據(jù)這幾組D-H曲線，可以得到不同溫度T下的作用時(shí)間H。建一個(gè)T-H坐標(biāo)，將這幾個(gè)點(diǎn)繪制連線，即得到相應(yīng)損失容限D(zhuǎn)c下的T-H曲線。試驗(yàn)中得到的損傷容限D(zhuǎn)c=1 mm的T-H曲線如圖3所示，其他濕度下的T-H曲線通過插值法得到。

2.2 飛機(jī)使用環(huán)境譜

由文獻(xiàn)[10]可知，腐蝕和疲勞是機(jī)體構(gòu)件產(chǎn)生失效的主要形式，高溫、高濕、高鹽霧的服役環(huán)境對(duì)飛機(jī)的腐蝕和疲勞產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。飛機(jī)的使用環(huán)境譜是研究腐蝕對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)影響的基礎(chǔ)，因此，飛機(jī)的使用環(huán)境譜的編制尤為重要。

飛機(jī)使用環(huán)境譜分為兩大類：一類是服役環(huán)境譜，如地面停放譜，空中腐蝕環(huán)境譜，飛機(jī)局部腐蝕環(huán)境譜等；另一類是實(shí)驗(yàn)室用的當(dāng)量加速環(huán)境譜。文中需要用的是海洋環(huán)境譜中的溫濕度譜，傳統(tǒng)的船測和站點(diǎn)的檢測已經(jīng)不能很好地反映海洋溫濕度場的整體狀況，現(xiàn)階段通過航天遙感技術(shù)獲得該海洋區(qū)域的溫濕度的參數(shù)，對(duì)參數(shù)加以統(tǒng)計(jì)得到該服役環(huán)境下的溫濕度譜，為了增加試驗(yàn)可靠性，數(shù)據(jù)應(yīng)盡量多采集。

文中選取的一段陵水機(jī)場某一年的溫濕度譜作為試驗(yàn)環(huán)境譜見表3，相對(duì)濕度在70%以下對(duì)腐蝕基本不起作用，可以不予考慮。

表3 陵水機(jī)場溫濕度環(huán)境譜

表3 陵水機(jī)場溫濕度環(huán)境譜

相對(duì)濕度/%20 ℃ 25 ℃ 30 ℃ 35 ℃作用時(shí)間/h ∑70 43 95 294 56 80 219 239 383 15 90 549 1249 577 2.5 100 3.7 39.1 0.13 0 3764.43

2.3 機(jī)體結(jié)構(gòu)腐蝕容限D(zhuǎn)c分析

首先，文中將引入該機(jī)型機(jī)體材料及相應(yīng)厚度分布圖（見圖4）。同一色度代表兩者的材料相同，由圖4中可以清楚地得到該機(jī)型各部位相應(yīng)的厚度，這就可以得到該機(jī)型的損傷容限D(zhuǎn)c。該型機(jī)設(shè)定厚度2 mm以下為不受力壁板，2 mm以上為受力壁板，且修理手冊(cè)中規(guī)定受力壁板的容許腐蝕深度為15%。

由圖4可知，該機(jī)型機(jī)身受力壁板厚度最小值為2 mm，機(jī)翼不受力的力臂厚度為0.6 mm和1 mm，機(jī)翼受力壁板的厚度為2.5，3，5，6 mm。由修理手冊(cè)對(duì)受力壁板的規(guī)定，結(jié)合圖4求得機(jī)身壁板容限值為0.3 mm，機(jī)翼壁板容限值分別為0.375，0.45，0.75，0.9 mm。綜上所述，選取最小損傷厚度0.3 mm作為該機(jī)型損傷的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 某型飛機(jī)日歷壽命分析

該機(jī)型大部分蒙皮材料為2Al2-T3鋁合金，文中假定損傷容限為1 mm，由圖3對(duì)應(yīng)的T-H曲線求得不同濕度情況下溫度T對(duì)應(yīng)的腐蝕時(shí)間H，見表4。

表4 該機(jī)場H/h對(duì)應(yīng)值

結(jié)合表3、表4，得到：

將數(shù)據(jù)帶入式（2）得：

計(jì)算得機(jī)體厚度0.3 mm對(duì)應(yīng)的壽命λ0.3≈13。這里假定該機(jī)型的涂層日歷壽命為10年，翻修次數(shù)為3次，由計(jì)算模型（1）可以得到其總的日歷壽命為53年。

3 結(jié)論

1）文中給出的飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命的求解涉及到四個(gè)參數(shù)：一是金屬涂層的日歷壽命mλ，一般mλ由制造廠給出；二是機(jī)體材料的腐蝕容限 Dc；三是機(jī)體材料腐蝕至 Dc所需的年限λ；四是飛機(jī)的翻修次數(shù)n。

2）文中機(jī)體材料的腐蝕容限 Dc由修理容限獲得，也可以通過機(jī)體危險(xiǎn)部位的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度分析獲得。

3）求解λ，需要獲取材料在腐蝕容限下的 T-H曲線，由此曲線得知時(shí)間H，結(jié)合試驗(yàn)地區(qū)的環(huán)境譜，進(jìn)而由日歷壽命求解模型求得λ。

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