材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)工程化應(yīng)用方法探討

羅來(lái)正，黎小鋒，張登，肖勇，張燕

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331；3.中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén) 448035）

材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)工程化應(yīng)用方法探討

羅來(lái)正1，黎小鋒2，張登3，肖勇1，張燕1

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331；3.中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén) 448035）

目的 研究探討材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)在裝備設(shè)計(jì)選材和壽命預(yù)測(cè)方面的工程化應(yīng)用方法。方法通過(guò)分析材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)與裝備實(shí)際使用狀態(tài)的符合性原則，利用肖維奈準(zhǔn)則和子樣變異系數(shù)法對(duì)暴露于海南萬(wàn)寧的2A12鋁合金抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用環(huán)境效應(yīng)修正系數(shù)C-t曲線初步評(píng)價(jià)2A12鋁合金在某型飛機(jī)上的工程應(yīng)用情況及使用壽命。結(jié)果 2A12鋁合金海洋大氣環(huán)境下最終的使用年限為36年，滿(mǎn)足在海洋大氣環(huán)境服役使用要求，同時(shí)滿(mǎn)足一般軍用飛機(jī)最長(zhǎng)30年日歷壽命要求，可將2A12鋁合金應(yīng)用于機(jī)身、機(jī)翼上翼面、平尾、垂尾等機(jī)體主要部位。結(jié)論 該方法初步實(shí)現(xiàn)了材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)在某型飛機(jī)上的工程化應(yīng)用。

自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)；工程化應(yīng)用；肖維奈準(zhǔn)則；變異系數(shù)；環(huán)境效應(yīng)修正系數(shù)

材料服役過(guò)程中因受環(huán)境的作用導(dǎo)致性能下降、狀態(tài)改變、直至損壞變質(zhì)的行為通常稱(chēng)為“腐蝕”或“老化”[1]。目前，材料腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失已占我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總值的5%，人均損失已達(dá)800元/（人·年），不僅給國(guó)家?guī)?lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失和大量資源與能源消耗，也嚴(yán)重威脅設(shè)備、裝備、建筑物的耐久性、安全性和可靠性使用。由于絕大部分材料均在自然環(huán)境中使用，因此，開(kāi)展材料自然環(huán)境試驗(yàn)可獲取最為直接、真實(shí)、有效的腐蝕數(shù)據(jù)，進(jìn)而掌握材料在典型環(huán)境中的腐蝕規(guī)律，已成為控制材料腐蝕、提升材料環(huán)境適應(yīng)能力的重要手段，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和軍事建設(shè)所必須的重要依據(jù)[2—9]。

為了使材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到更好的利用，研究人員先后對(duì)材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法開(kāi)展了大量研究工作，主要集中在常規(guī)的統(tǒng)計(jì)分析、曲線擬合和相關(guān)分析等方法，以及灰色理論、模糊數(shù)據(jù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種現(xiàn)代數(shù)據(jù)手段研究材料的自然環(huán)境腐蝕規(guī)律[10—19]。目前，關(guān)于材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)工程化應(yīng)用方法研究較為薄弱，以往的材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法主要考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與處理，對(duì)于數(shù)據(jù)本身與裝備實(shí)際使用狀態(tài)符合性原則研究較少，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后如何進(jìn)行工程化應(yīng)用也鮮見(jiàn)報(bào)道。針對(duì)此問(wèn)題，文中首先開(kāi)展了材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)與裝備實(shí)際使用狀態(tài)的符合性原則研究，并以某型飛機(jī)用鋁合金的自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討了材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)在某型飛機(jī)中工程化應(yīng)用方法，為材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理工程化應(yīng)用提供一種借鑒思路。

1　符合性原則

材料的自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)若想得到較好的工程應(yīng)用，應(yīng)與裝備實(shí)際使用狀態(tài)相符合，并滿(mǎn)足以下原則：）自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的背景（試驗(yàn)環(huán)境要素、分布與強(qiáng)度）應(yīng)與裝備的預(yù)期使用環(huán)境一致；試驗(yàn)件材料、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、防護(hù)體系和制備工藝等應(yīng)符合實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求；試驗(yàn)件和有效數(shù)據(jù)的樣本量應(yīng)符合規(guī)定的可靠度和置信水平；自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)具有數(shù)理統(tǒng)計(jì)性，可按一定的分布規(guī)律和假設(shè)檢驗(yàn)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理與回歸分析。

2　工程化應(yīng)用流程

若要實(shí)現(xiàn)材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)在裝備中的工程化應(yīng)用，首先應(yīng)確定采集/積累的數(shù)據(jù)與裝備實(shí)際狀態(tài)一致，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立相應(yīng)變化規(guī)律，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的工程應(yīng)用，其工程化應(yīng)用的流程如圖1所示。

圖1 材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)工程化應(yīng)用流程Fig. 1 Flow chart of engineering application of material natural environment test data

3　工程化應(yīng)用實(shí)例

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

選擇鋁合金2A12裸材為試驗(yàn)材料，試樣種類(lèi)為板材拉伸試樣。試驗(yàn)前先用丙酮清洗掉試樣表面的油污，之后采用去離子水漂洗，最后用丙酮脫水。試驗(yàn)場(chǎng)為熱帶海洋環(huán)境的海南萬(wàn)寧，其主要大氣環(huán)境特征參數(shù)：平均溫度為 24.6 ℃，平均濕度為86%，日照時(shí)數(shù)為2154 h，輻射總量為4826 MJ/m2，降雨總量為1942 mm，Cl-含量為4.5 mg/(100 cm2·d)。試樣朝南并與水平成45°傾角，大氣暴露試驗(yàn)方法參照GB/T 14165—2008《金屬和合金 大氣腐蝕試驗(yàn) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的一般要求》執(zhí)行。試驗(yàn)暴露時(shí)間為4年，取樣周期為0.5，1，1.5，2，3，4年，每組平行試樣為 5個(gè)，采集的材料性能數(shù)據(jù)為抗拉強(qiáng)度，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228—2010《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》。

3.2 一致性分析

采集的2A12鋁合金抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地為海洋環(huán)境的海南萬(wàn)寧，符合某型飛機(jī)海洋環(huán)境服役特點(diǎn)，2A12鋁合金也是該機(jī)實(shí)際使用材料，因此，試驗(yàn)數(shù)據(jù)背景與裝備實(shí)際使用狀態(tài)一致。

3.3 原始數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)試驗(yàn)獲取了2A12鋁合金在海南萬(wàn)寧暴露4年的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，包括原始數(shù)據(jù)、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差三種類(lèi)型，見(jiàn)表 1。由此得知，2A12鋁合金暴露于含 Cl-的高濕海洋大氣環(huán)境中，鋁合金表面易形成含Cl-的薄液膜環(huán)境，Cl-極易穿透鋁合金表面，導(dǎo)致其在較短的時(shí)間便發(fā)生點(diǎn)蝕行為，腐蝕導(dǎo)致2A12鋁合金的抗拉強(qiáng)度下降。隨著暴露時(shí)間延長(zhǎng)，2A12鋁合金表面腐蝕由點(diǎn)蝕逐步發(fā)展成全面腐蝕，鋁合金的氧化膜增厚，并變得致密和連續(xù)，Cl-不易于穿透，腐蝕速率減緩，腐蝕對(duì)2A12鋁合金抗拉強(qiáng)度影響逐漸減弱。

表1 2A12鋁合金暴露4年抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)Table 1 Tensile strength data of 2A12 aluminum alloy exposed for 4 years MPa

3.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

獲取的各時(shí)間點(diǎn)抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以直接使用，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.5 可疑值舍棄

可疑值可從兩方面進(jìn)行判斷：從物理現(xiàn)象上判斷，即所獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)小或者過(guò)大時(shí)，有可能是由于試樣本身材質(zhì)異常、加工缺陷、試驗(yàn)機(jī)器出現(xiàn)問(wèn)題、操作不慎等原因造成的，要通過(guò)物理現(xiàn)象充分判斷尋找原因，舍棄時(shí)要慎重；采用肖維奈準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，肖維奈準(zhǔn)則是已知一組平行樣的平均值和平行樣的標(biāo)準(zhǔn)差S，當(dāng)根據(jù)某一可疑值求出的絕對(duì)值超出一定限度時(shí)，即可舍棄mX。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)試驗(yàn)值舍棄后，若再考慮第二個(gè)可疑值時(shí)，應(yīng)重新計(jì)算和S。表2給出了采用肖維奈準(zhǔn)則獲取的平行樣與的關(guān)系[20]。

表2 平行樣與　的關(guān)系Table 2 The relationship between parallel samples and

表2 平行樣與　的關(guān)系Table 2 The relationship between parallel samples and

平行樣大小XX S m -4 　1.53 5 　1.64 6 　1.73 7 　1.80 8 　1.88 9 　1.91 10 　1.96

表3 2A12鋁合金抗拉強(qiáng)度　原始值Table 3 The original of 2A12 aluminum alloy tensile strength

表3 2A12鋁合金抗拉強(qiáng)度　原始值Table 3 The original of 2A12 aluminum alloy tensile strength

材料 　　平行樣 　　暴露時(shí)間/年原始 　0.5 　1 　1.5 　2 　3 　4 2A12鋁合金裸材1 　1.11 　0.41 　0.35 　0.94 　0.85 　0.55 　1.60 2 　0.38 　0.75 　1.40 　0.82 　0.27 　1.10 　0.42 3 　1.06 　0.75 　0.53 　0.82 　0.12 　1.10 　0.13 4 　1.06 　1.63 　0.35 　0.53 　1.66 　0.55 　0.73 5 　0.63 　0.27 　1.23 　1.23 　0.66 　　—— 　0.85

表4 2A12鋁合金暴露2年抗拉強(qiáng)度舍棄可疑值后Table 4 The of 2A12 aluminum exposed for 2 years to discard suspicious tensile strength value

表4 2A12鋁合金暴露2年抗拉強(qiáng)度舍棄可疑值后Table 4 The of 2A12 aluminum exposed for 2 years to discard suspicious tensile strength value

材料 　 　　抗拉強(qiáng)度/MPa m XX S -2A12鋁合金裸材平行樣1 　440 　1.01 2 　425 　0.34 3 　415 　1.24 4 　435 　0.56平均值 　429 　　—標(biāo)準(zhǔn)差 　11.0868 　　—

3.6 確定各時(shí)間點(diǎn)的樣本量

平行樣變異系數(shù)是指平行樣標(biāo)準(zhǔn)差與平行樣平均值之比，即。對(duì)于給定的置信度 γ和平行樣變異系數(shù)時(shí)，可以求得各時(shí)間點(diǎn)所需最少樣本量。置信度γ為90%，誤差限度δmax為5%時(shí)的最少樣本量個(gè)數(shù)見(jiàn)表5[20]。

對(duì)舍棄可疑值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)求變異系數(shù)，獲取置信度γ為90%，誤差限度δmax為5%時(shí)的最少樣本量和實(shí)際樣本量個(gè)數(shù)，見(jiàn)表6。由表6得知，各時(shí)間的樣本量個(gè)數(shù)均滿(mǎn)足要求。

表5 最少樣本量個(gè)數(shù)（置信度γ=90%，誤差限度δmax=5%）Table 5 Minimum number of sample volume (Confidence γ=90%, Error limit δmax=5%)

表6 2A12鋁合金樣本量個(gè)數(shù)與E50數(shù)據(jù)Table 6 The number of samples and E50data of 2A12 aluminum alloy

3.7 建立設(shè)計(jì)許用值E50變化規(guī)律

對(duì)舍棄可疑值的各平行樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)求抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)許用值E50，并進(jìn)行繪圖，如圖2所示。由圖2得知，暴露3年后的抗拉強(qiáng)度數(shù)值比未暴露還大，與實(shí)際情況不符，建立變化規(guī)律時(shí)應(yīng)該舍棄該E50值。對(duì)剩余的E50進(jìn)行繪圖，如圖3所示。

圖2 各時(shí)間點(diǎn)的原始抗拉強(qiáng)度E50隨時(shí)間變化曲線Fig. 2 The time variation curves of the original tensile strength E50at different time points

圖3 舍棄可疑值后的抗拉強(qiáng)度E50隨時(shí)間變化曲線Fig. 3 The tensile strength with the time variation curve after abandoning the suspect value E50

50腐蝕時(shí)間下抗拉強(qiáng)度E50，σ0為原始抗拉強(qiáng)度。一般地，獲取材料或構(gòu)件的環(huán)境效應(yīng)修正系數(shù) C-t曲線后，可以用來(lái)修正或驗(yàn)證此材料結(jié)構(gòu)件腐蝕環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度，預(yù)知腐蝕-時(shí)間歷程關(guān)系，進(jìn)而評(píng)定腐蝕環(huán)境要素對(duì)裝備結(jié)構(gòu)壽命的影響。對(duì)環(huán)境效應(yīng)修正系數(shù)與時(shí)間的曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為，相關(guān)系數(shù)r=0.97，曲線如圖4所示。

海洋環(huán)境服役的某型飛機(jī)各部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況見(jiàn)表7。2A12鋁合金原始抗拉強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值為457 MPa，以350 MPa作為該材料最終使用應(yīng)力，代入環(huán)境效應(yīng)修正系數(shù)公式，求得2A12鋁合金海洋大氣環(huán)境下最終的使用年限為36年。若單從抗拉強(qiáng)度方面考慮，該鋁合金滿(mǎn)足在海洋大氣環(huán)境服役使用要求，同時(shí)滿(mǎn)足一般軍用飛機(jī)最長(zhǎng) 30年日歷壽命要求，并可將2A12鋁合金應(yīng)用于機(jī)身、機(jī)翼上翼面、平尾、垂危等機(jī)體主要部位。

圖4 2A12鋁合金抗拉強(qiáng)度C-t曲線Fig. 4 C-t curve of 2A12 aluminum alloy tensile strength

表7 某型飛機(jī)各部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況Table 7 Stress distribution of various parts of a certain type of aircraft

4　結(jié)語(yǔ)

分析了材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)與裝備實(shí)際使用狀態(tài)的符合性原則，給出了材料自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)工程化應(yīng)用流程，采用肖維奈準(zhǔn)則對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可疑值進(jìn)行了分析與處理，利用子樣變異系數(shù)法分析了試驗(yàn)樣本量要求，初步探討了采用環(huán)境效應(yīng)修正系數(shù)C-t曲線評(píng)價(jià)2A12鋁合金在某型飛機(jī)上工程化應(yīng)用情況，預(yù)測(cè)了2A12鋁合金在某型飛機(jī)上的使用壽命。

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Engineering Application Method of theNatural Environment Test Data of Material

LUO Lai-zheng1, LI Xiao-feng2, ZHANG Deng3, XIAO Yong1, ZHANG Yan1
(1.Southwest Research Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China; 3.Special Vehicle Research institute of China, Jingmen 448035, China)

Objective To study the engineering application method of the natural environment test data of material in design material selection and life prediction of equipment. Methods The conformity principle of the natural environment test data of material and the actual state of equipment was analyzed. The tensile strength test data of 2A12 aluminum alloy exposed in Hainan Wanning was processed using Chauvenet criterion and sample variation coefficient method. The engineering application and service life of 2A12 aluminum alloy on a certain aircraft were evaluated by the environmental effect correction coefficient C-t curve. Results The final service life of 2A12 aluminum alloy in marine atmosphere was 36 years. That met the requirements of service in the marine atmospheric environment and the general requirements of the 30 year calendar life of military aircraft. 2A12 aluminum alloy could be applied to the main parts of the airframe of the fuselage, wing surface, tail, dying, etc. Conclusion The engineering application of the natural environment test data of material on a certain aircraft has been initially realized by this method..

natural environment test data; engineering application; chauvenet criterion; variation coefficient; correctionfactor of environmental effect

2016-04-19；Revised：2016-04-19

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.021

TJ04

A

1672-9242(2016)05-0128-06

2016-04-19；

2016-05-17

羅來(lái)正（1983—），男，江西玉山人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境試驗(yàn)與環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

Biography：LUO Lai-zheng（1983—）， Male， from Yushan， Jiangxi， Master， Engineer， Research focus: environment adaption test and evaluation.