基于環境腐蝕損傷的某型飛機日歷壽命的確定

楊曉華，顧志躍，張泰峰

（海軍航空大學 青島分校，山東 青島 266041）

多年來世界各國的學者對飛機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[3-7]，張福澤通過飛機的使用環境譜、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翻修次數給出飛機的日歷總壽命。第二類是基于疲勞的觀點[8-9]。劉文珽等以一般環境下疲勞壽命評定結論為基礎，引入綜合考慮地面停放預腐蝕與空中腐蝕疲勞影響的腐蝕影響系數，將腐蝕條件下的飛行小時數等損傷折算為當量一般環境下飛行小時數，以達到用一般環境下疲勞壽命的評定結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，通過某型飛機常用鋁合金材料的實驗室加速腐蝕試驗，得到了常用航空鋁合金材料任意腐蝕損傷的T（溫度）-H（時間）曲線。根據該機的腐蝕容限值，結合該機服役地區的使用環境譜對該型機的日歷壽命進行了分析。

1 基于環境區域腐蝕損傷的日歷壽命模型

文獻[3-5]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為飛機的翻修次數；λm為飛機結構防護涂層的日歷壽命；λ為機體腐蝕到損傷容限Dc所要的時間。

式中：hi為服役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值所對應的小時數； 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。

標準的T-H曲線如圖1所示。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。

2 某型飛機日歷壽命分析

2.1 2Al2-T3鋁合金T-H曲線

由文獻[3]可知，金屬材料在一定的介質環境中，想要達到損傷容限Dc，提高試驗溫度T可以縮短試驗時間H，降低試驗溫度T則延長試驗時間H。因此在溫度與時間中就存在著某種關系，稱之為T（溫度）-H（時間）曲線。

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

試驗件將在溫濕環境箱中進行三種不同的溫濕度下的腐蝕，腐蝕時間為 1008 h。溫度為 20，35，50 ℃；相對濕度為100%，90%84%。

以海南陵水機場的平均日常環境腐蝕介質為基準，當濃度d為1倍時的成分含量見表2，試驗時濃度加至10，20，40倍。

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

2Al2-T3鋁合金的腐蝕形態為點蝕，去腐蝕產物后，采用三維光學測量顯微鏡（OLYMPUS STM6）隨機測量5個蝕坑的深度，所有結果取平均值作為損傷量D的表征。統計完不同的溫濕度，不同濃度d下的腐蝕損傷量 D，即可畫出其等溫等時線。相對濕度為100%，90%，84%對應的D-d曲線如圖2所示。

圖2中線上每一點都是使用環境下的溫度濕度，作用時間都是Ht。這就意味著，用濃度dt進行Ht小時的腐蝕試驗，可以得到Dt的腐蝕深度。用濃度d1=1腐蝕Ht小時，則得到D1的腐蝕損傷量。因此，可以得到Dt與D1的轉換關系：

表1 等溫等時線制作試驗件分組

表2 腐蝕介質濃度1倍所含成分

當損傷量指定時，根據式（4），可計算出在溫度T1下，腐蝕到指定損傷容限D1c所用的時間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D1c所用的時間，也就是金屬相對于損傷容限D1c的日歷壽命；Ht為試驗濃度、濕度和溫度下腐蝕至損傷量為Dt時所用的時間；D1c為使用濃度、濕度和溫度下的腐蝕容限損傷量；Dt為試驗濃度dt、使用濕度和溫度下，腐蝕 Ht小時的腐蝕損傷量；dt為試驗濃度。

根據不同的溫度T，繪制出多組不同的D（損傷量）-H（時間）曲線。選定某一固定損傷值 Dc，根據這幾組D-H曲線，可以得到不同溫度T下的作用時間H。建一個T-H坐標，將這幾個點繪制連線，即得到相應損失容限Dc下的T-H曲線。試驗中得到的損傷容限Dc=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 飛機使用環境譜

由文獻[10]可知，腐蝕和疲勞是機體構件產生失效的主要形式，高溫、高濕、高鹽霧的服役環境對飛機的腐蝕和疲勞產生了嚴重的影響。飛機的使用環境譜是研究腐蝕對機體結構影響的基礎，因此，飛機的使用環境譜的編制尤為重要。

飛機使用環境譜分為兩大類：一類是服役環境譜，如地面停放譜，空中腐蝕環境譜，飛機局部腐蝕環境譜等；另一類是實驗室用的當量加速環境譜。文中需要用的是海洋環境譜中的溫濕度譜，傳統的船測和站點的檢測已經不能很好地反映海洋溫濕度場的整體狀況，現階段通過航天遙感技術獲得該海洋區域的溫濕度的參數，對參數加以統計得到該服役環境下的溫濕度譜，為了增加試驗可靠性，數據應盡量多采集。

文中選取的一段陵水機場某一年的溫濕度譜作為試驗環境譜見表3，相對濕度在70%以下對腐蝕基本不起作用，可以不予考慮。

表3 陵水機場溫濕度環境譜

表3 陵水機場溫濕度環境譜

相對濕度/%20 ℃ 25 ℃ 30 ℃ 35 ℃作用時間/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 機體結構腐蝕容限Dc分析

首先，文中將引入該機型機體材料及相應厚度分布圖（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型各部位相應的厚度，這就可以得到該機型的損傷容限Dc。該型機設定厚度2 mm以下為不受力壁板，2 mm以上為受力壁板，且修理手冊中規定受力壁板的容許腐蝕深度為15%。

由圖4可知，該機型機身受力壁板厚度最小值為2 mm，機翼不受力的力臂厚度為0.6 mm和1 mm，機翼受力壁板的厚度為2.5，3，5，6 mm。由修理手冊對受力壁板的規定，結合圖4求得機身壁板容限值為0.3 mm，機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作為該機型損傷的標準。

2.4 某型飛機日歷壽命分析

該機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對應的T-H曲線求得不同濕度情況下溫度T對應的腐蝕時間H，見表4。

表4 該機場H/h對應值

結合表3、表4，得到：

將數據帶入式（2）得：

計算得機體厚度0.3 mm對應的壽命λ0.3≈13。這里假定該機型的涂層日歷壽命為10年，翻修次數為3次，由計算模型（1）可以得到其總的日歷壽命為53年。

3 結論

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

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

3）求解λ，需要獲取材料在腐蝕容限下的 T-H曲線，由此曲線得知時間H，結合試驗地區的環境譜，進而由日歷壽命求解模型求得λ。

參考文獻：

[1] 石榮, 李鄭琦, 王學德, 等. 飛機結構日歷壽命研究現狀及關鍵問題[J]. 中國腐蝕與防護學報, 2008: 28(6):381-385.

[2] 陳群志, 康獻海, 劉健光, 等. 軍用飛機腐蝕防護與日歷壽命研究[J]. 中國表面工程, 2010, 23(4): 1-6.

[3] 張福澤. 金屬機件腐蝕損傷日歷壽命的計算模型和確定方法[J]. 航空學報, 1999, 20(3): 75-79.

[4] 張福澤. 金屬腐蝕“3等線”和試驗日歷壽命確定方法[J]. 航空學報, 2016, 37(2): 371-380.

[5] 張福澤. 金屬涂層的日歷壽命計算公式和試驗方法[J].航空學報, 2016, 37(2): 390-396.

[6] 張福澤. 三維等損傷環境譜的編制原理和方法[J]. 航空學報, 2016, 37(2): 381-389.

[7] 張福澤. 金屬任意腐蝕損傷量的日歷壽命計算模型和曲線[J]. 航空學報, 2017, 38(9): 254-263.

[8] 劉文珽, 楊洪源, 賀小帆. 腐蝕條件下民機結構疲勞壽命評定方法研究[J]. 航空學報, 2004, 30(8): 753-756.

[9] 劉文珽, 王忠波. 一種飛機結構日歷壽命延壽方法[J].北京航空航天大學學報, 2005, 31(6): 642-646.

[10] 楊曉華, 金平. 飛機使用環境譜的編制[J]. 裝備環境工程, 2010, 7(6): 99-102 .