飛機結構使用壽命評定技術研究

高長寶

（航空工業哈爾濱飛機工業集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

飛機結構是飛機各種裝備、設施的載體，是飛機實現各種任務的前提與基礎。由于飛機各系統機載設備在飛機全壽命周期內可以更換，因此，一架飛機的使用壽命一般取決于機體結構的使用壽命。當機體結構的使用壽命到達無法修理或者修理不經濟的狀態，則宣告一架飛機的壽命終止。因此，飛機結構的使用壽命評定對飛機的使用壽命評定起著決定性的作用。

1 飛機結構使用壽命指標

1.1 疲勞壽命與日歷壽命

飛機結構的使用壽命一般以飛行小時數、飛行起落數和飛行年限三個指標來表達，并以先達者為準。其中，飛行小時數和飛行起落數屬于疲勞壽命的范疇，飛行年限則屬于日歷壽命的范疇。疲勞壽命的確定，當前已經形成了以Miner線性累計損傷理論為主的一套完整、科學的分析方法。線性累計損傷理論的基本假設為：各級交變應力引起的疲勞損傷可以分別計算，然后，再線性疊加在一起，某級應力水平造成的疲勞損傷與該級應力水平所施加的循環數和同一級應力水平下直至發生破壞時所需的循環數的比值成正比。比值/稱為第級應力水平的損傷，總損傷等于各級損傷總和，當總損傷等于1 時結構發生疲勞破壞，即

式中，m 為應力水平級數。

日歷壽命的確定則需要考慮地面停放環境、空中飛行環境和載荷的相互作用，并涉及冶金、材料、力學、電化學等諸多學科的交叉，其評定方法的復雜程度顯而易見。

1.2 管理現狀

我國的軍機年飛行強度偏低，僅有日歷時間的1%～3%，有些甚至更低，大部分時間飛機處于地面停放狀態，如圖1 所示的飛機結構典型服役歷程，當飛機服役到日歷壽命到壽時，疲勞壽命往往消耗不到一半，疲勞壽命利用率只有40%～60%。造成這種問題的原因在于，雖然現有的管理方式同時考慮了疲勞壽命與日歷壽命，但是，兩個指標互相獨立，并未建立有效的聯系，疲勞壽命與日歷壽命嚴重不匹配。若以日歷壽命管理飛機的退役，在結構疲勞壽命未得到充分利用的情況下，勢必會造成巨大的浪費。因此，這種情況下，飛機往往會進行延壽來發揮其最大效能。決定飛機結構壽命的使用條件，主要包含飛機結構在服役過程中所承受的載荷-時間歷程（用載荷譜來描述），以及在地面停放和飛行中的環境-時間歷程（用環境譜來描述）。

圖1 飛機結構典型服役歷程

2 腐蝕對飛機結構壽命的影響

2.1 腐蝕對飛機結構疲勞壽命的影響

飛機長期處于各種復雜的環境中，濕熱、鹽霧、霉菌、熱沖擊、紫外線、腐蝕液等都會對飛機結構造成侵蝕。尤其我國地域遼闊，飛機在整個壽命周期內，可能會經受各種不同地域、海域、空域環境的影響，如圖2 所示為某型機平尾大軸所遭受到的腐蝕。飛機疲勞關鍵件和關鍵部位處在腐蝕環境中，隨著年限的增加，腐蝕的作用勢必使結構的疲勞品質下降，從而降低疲勞壽命?，F有的疲勞壽命確定方式，一般是在實驗室無腐蝕作用下得出的結論，忽略了飛機長期服役過程中各種環境因子的影響。飛機在高空飛行的過程中，由于環境條件較好，腐蝕環境因子影響的作用較小，處于地面停放狀態下，腐蝕環境因子的影響作用較大。

2.2 腐蝕對飛機結構日歷壽命的影響

飛機在整個日歷周期內，各種環境因素對飛機結構的作用是非常漫長的，飛機即使長年不進行飛行，結構也會老化失效。舉一個極端的例子，某架飛機常年處于沿海高腐蝕地區，另一架飛機常年處于內陸良好環境地區，兩架飛機在整個服役期內均未進行飛行，則此時日歷壽命成為衡量兩架飛機使用壽命的主要指標。很顯然，兩架飛機的日歷壽命必然存在由于環境影響而產生的差異。飛機常見的腐蝕類型有均勻腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕、絲狀腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、磨損腐蝕、微生物腐蝕和氣氛腐蝕。

圖2 某型飛機平尾大軸斷裂部位嚴重腐蝕

3 環境譜

3.1 環境譜編制

研究腐蝕對飛機結構壽命的影響，必須建立對應的使用環境譜。飛機結構的環境譜是以大量的環境數據為基礎，通過統計和折算的方法，給出對飛機結構產生腐蝕影響環境要素的作用強度、作用時間、作用次數以及它們的比例，定量描述飛機結構地面停放和空中飛行過程中所經受的腐蝕環境歷程。飛機在整個日歷周期內，各種環境因子對結構的影響是一個漫長而又復雜的過程，如果要求所編制的環境譜完全描述所有環境因子的作用與歷程是沒有意義的。

因為這樣不僅要耗費巨大的工程，而且技術實施上也有困難，因此實際工程中，通常對環境因子進行篩選和簡化。篩選的原則是剔除環境要素中對結構腐蝕、老化影響較小的因子，保留貢獻較大的部分，以達到數據簡化的目的。影響較大的環境參數一般有溫度、相對濕度、霧、凝露、雨和工業污染，并給出參數的強度、持續時間、發生頻率以及它們的組合作用。表1 為海軍某機場的地面停放環境譜，此環境譜充分展示了環境因素的綜合作用效果。

表1 海軍某機場的地面停放環境譜

3.2 加速試驗環境譜

飛機的日歷壽命一般都在20 年以上，甚至更長，因此，用真實服役的環境譜進行腐蝕試驗顯然行不通。工程上只能采用試驗室加速腐蝕的方法，建立加速試驗環境譜，進行腐蝕試驗，使模擬件在加速試驗環境譜下，用較短的時間達到與地面真實環境相同的腐蝕效果。這種當量折算法的原理是法拉第定律，因為飛機結構的腐蝕主要是由電化學腐蝕引起，電化反應中，電核的轉移與反應物質的變化量之間有著嚴密的等量關系，根據腐蝕量相等準則，可以引入折算系數，從而建立加速試驗環境譜。如圖3 為當量加速試驗環境譜。

4 使用壽命評定

4.1 腐蝕條件下疲勞壽命評定

以一般環境（室溫大氣）下疲勞壽命定壽結論為基礎，引入腐蝕影響系數，將腐蝕條件下飛行小時數等損傷地折算為當量的一般環境飛行小數，以其達到腐蝕條件下的疲勞壽命評定。

（1）定義腐蝕影響系數β，即

圖3 加速試驗環境譜

（2）分析處理飛機使用地區的環境因素，假設溫度、相對濕度對疲勞壽命的影響系數分別為 Τα、 Ηα。

（3）對于其他環境因素，如海水、鹽霧、工業廢氣等，同樣可根據實際情況確定壽命影響因數 Εα。

（4）通過試驗或者分析得到飛機結構在一般環境中的疲勞壽命fL，則依據各影響系數可得到飛機結構腐蝕條件結構疲勞壽命為

4.2 腐蝕條件下日歷壽命評定

文獻[1-3]基于腐蝕的觀點，給出了飛機結構日歷壽命Y的計算公式：

式中，n為飛機飛機的翻修次數；mλ為飛機結構防護圖層的日歷壽命；λ為機體結構腐蝕到損傷容限 cD所要的時間。

式中：hi為實際環境譜中各級溫濕度下的年小時數；Hi為T（溫度）-H（時間）曲線中的i 級溫度腐蝕至損傷容限所對應的小時數；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；k 為溫度級數。科學合理的機體材料的T-H 曲線是通過該模型獲得飛機結構日歷壽命的關鍵。

5 使用壽命的跟蹤監控及控制

一直以來，飛機結構的使用壽命被認為是不可控的，即人們認為飛機只能被動地使用，直至飛機到壽停飛退役。然而，從腐蝕對飛機結構使用壽命的影響可以看出，結構的使用壽命與載荷、環境息息相關。通過合理的控制與調控，可以實現對飛機進行單機壽命追蹤，達到壽命的主動控制而不是被動消耗。單機疲勞壽命跟蹤監控是在不影響飛機正常使用的情況下，在飛機上安裝監控儀器和數據記錄系統，并經地面數據處理設備的系統處理、轉換和計算，確定飛機結構上所監控的危險部位的壽命消耗情況。當前，航空業主要有兩種壽命跟蹤手段，一種是飛行參數監控，另一種是直接應變監控。

6 結語

飛機的疲勞壽命與日歷壽命評定是一個綜合性復雜的多學科問題，在今后我國飛機研制階段，應特別注意疲勞壽命和日歷壽命指標的合理性，建立完善的使用壽命評定體系，加強新型防腐技術的研究，同時，應加強飛機的腐蝕監控與檢測技術的研究，實現飛機的單機壽命監控，使飛機的使用壽命從“被動消耗”到“主動控制”模式的轉變。