基于CorrosionMaster的垂尾下支臂腐蝕仿真分析

張丹丹,王建華,徐環宇,郭丹丹,吳佳華

(航空工業洪都，南昌 330024)

隨著現代飛機技術的不斷發展，其應用領域逐步擴展，服役環境更為多樣化，腐蝕問題也日益突出，依靠以往的腐蝕防護經驗顯然不能全面正確對其進行腐蝕防護。在多種腐蝕因素的作用下，飛機結構會遭到破壞，造成經濟損失，進而影響其使用壽命，甚至導致安全事故[1]。因此，有必要在設計初期引入機體結構腐蝕的模擬研究來預判產品的腐蝕風險、腐蝕速率和腐蝕形貌。近年來，仿真技術的發展為飛機腐蝕防護與控制提供了一種強有力的技術手段。通過仿真計算，可以充分考慮不同金屬、各類涂層、外部環境、產品結構等因素對腐蝕的影響，預測腐蝕風險，從而優化設計方案，提升產品防腐性能及可靠性，同時可以極大地節省研發的時間和成本。

本工作采用CorrosionMaster軟件對建立的垂尾下支臂組件仿真模型進行參數設置，通過求解計算，輸出仿真結果，并將仿真所得的腐蝕形貌與某現役機型的腐蝕形態進行對比分析，驗證該軟件在均勻腐蝕仿真方面的可靠性。

1 仿真模型的建立及分析

結構真實的腐蝕情況會受到服役環境、結構形式、材料及表面防護等因素的影響。所建的垂尾下支臂組件仿真模型的環境信息、結構信息、材料及表面防護信息是根據某型飛機的實際情況設定的。

1.1 使用環境

為了更精準地仿真計算零件的腐蝕狀態，需對某型飛機的實際服役環境進行為期1 a的數據采集，以獲得計算參數，開展的實測項目見表1。

表1 服役環境參數Tab. 1 Date of service environment

1.2 結構模型

垂尾下支臂組件及其周邊的連接結構如圖1所示。垂尾下支臂組件由垂尾下支臂、螺釘、墊圈、扁螺母、彈簧墊圈和搭接線接頭構成，各構件的材料及表面防護措施見表2。

表2 垂尾下支臂組件的材料及表面防護措施Tab. 2 The materials and surface protection measures of lower support arm of vertical fin assembly

圖1 垂尾下支臂組件及連接結構Fig. 1 Lower support arm of vertical fin assembly and connected structure

1.3 仿真計算

通過CATIA軟件將建立的垂尾下支臂組件數模轉化為STL格式，然后導入CorrosionMaster軟件，并在仿真軟件中設置環境參數、材料參數及邊界條件、并求解參數(參見表3)，最后進行仿真并輸出結果(見圖2)。

圖2 垂尾下支臂的腐蝕速率Fig. 2 Corrosion rate of lower support arm of vertical fin

表3 環境參數和求解參數Tab. 3 Environmental parameters and solver parameters

從仿真結果的3D云圖可以看出，垂尾下支臂搭接線連接孔上方區域會產生一定程度的均勻腐蝕。其中，腐蝕區域的邊界比較規則，且周邊腐蝕速率比中間大，連接孔周圍腐蝕速率最大。

2 某型飛機垂尾下支臂的腐蝕情況

在對已服役5～6 a的某型飛機進行調研時，發現10架飛機垂尾下支臂腹板腐蝕嚴重，腹板表面氧化層及涂層發生破壞，基體材料已經完全腐蝕。圖3為某架飛機垂尾下支臂腹板上表面的腐蝕形態，可以看出腐蝕區域位于搭接線連接孔上方，腐蝕區域邊界不規則，距連接孔越近腐蝕程度越大，連接孔周圍腐蝕最嚴重。

3 仿真結果與實際腐蝕情況的偏差

對比仿真計算得到的結果與零件的實際腐蝕形態可見：關于腐蝕的分布范圍、不同部位的嚴重程度，兩者的吻合度較高，發生腐蝕的部位及腐蝕最嚴重的位置基本一致，但腐蝕區域的邊界形狀和內部具體腐蝕程度略有差異。

從飛機服役環境來看，該地區處于沙漠邊緣，兩面臨海，夜晚有5～6 h空氣相對濕度達到100%,機體結構表面會出現冷凝水[2]；而白天氣溫很高，夜晚形成的冷凝水會很快蒸發，留下氯化物等殘留在機體結構上；如此晝夜循環，促使機體結構所處的腐蝕環境越來越嚴峻。

(a) 去除腐蝕產物前

(b) 去除腐蝕產物后圖3 垂尾下支臂腐蝕形態Fig. 3 Corrosion shape of lower support arm of vertical fin before (a) and after (b) removing corrosion products

從局部小環境來看，垂尾下支臂安裝在垂尾下方，位于垂直安定面與方向舵之間的半封閉區域(見圖4)，且下支臂安裝到飛機上后形成一個凹形部位，腐蝕介質易在此處沉積。由于每架飛機的停放位置及使用維護存在差異，導致其腐蝕形態并不完全相同。

圖4 垂尾下支臂安裝位置Fig. 4 The installation site of lower support arm of vertical fin

綜上所述,仿真結果與實際腐蝕情況，在邊界形態、范圍、嚴重程度上會有一定的偏差，但總體上仿真計算結果顯示的腐蝕分布范圍、各部位的嚴重程度還是較為可信的，可以為結構的腐蝕防護能力分析提供參考。

4 結論

基于CorrosionMaster軟件的仿真結果對于評估金屬結構防腐蝕設計的效果和預測腐蝕風險具有指導意義。利用該軟件的均勻腐蝕模塊對設計的產品進行仿真分析，可以驗證其腐蝕防護方案的效果，使用戶可以在設計初期識別腐蝕風險，制定解決方案，從而縮短產品的設計周期，降低成本。