飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用壽命評(píng)定技術(shù)研究

高長(zhǎng)寶

（航空工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

飛機(jī)結(jié)構(gòu)是飛機(jī)各種裝備、設(shè)施的載體，是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)各種任務(wù)的前提與基礎(chǔ)。由于飛機(jī)各系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備在飛機(jī)全壽命周期內(nèi)可以更換，因此，一架飛機(jī)的使用壽命一般取決于機(jī)體結(jié)構(gòu)的使用壽命。當(dāng)機(jī)體結(jié)構(gòu)的使用壽命到達(dá)無(wú)法修理或者修理不經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)，則宣告一架飛機(jī)的壽命終止。因此，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用壽命評(píng)定對(duì)飛機(jī)的使用壽命評(píng)定起著決定性的作用。

1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用壽命指標(biāo)

1.1 疲勞壽命與日歷壽命

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用壽命一般以飛行小時(shí)數(shù)、飛行起落數(shù)和飛行年限三個(gè)指標(biāo)來(lái)表達(dá)，并以先達(dá)者為準(zhǔn)。其中，飛行小時(shí)數(shù)和飛行起落數(shù)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(dāng)前已經(jīng)形成了以Miner線性累計(jì)損傷理論為主的一套完整、科學(xué)的分析方法。線性累計(jì)損傷理論的基本假設(shè)為：各級(jí)交變應(yīng)力引起的疲勞損傷可以分別計(jì)算，然后，再線性疊加在一起，某級(jí)應(yīng)力水平造成的疲勞損傷與該級(jí)應(yīng)力水平所施加的循環(huán)數(shù)和同一級(jí)應(yīng)力水平下直至發(fā)生破壞時(shí)所需的循環(huán)數(shù)的比值成正比。比值/稱為第級(jí)應(yīng)力水平的損傷，總損傷等于各級(jí)損傷總和，當(dāng)總損傷等于1 時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，即

式中，m 為應(yīng)力水平級(jí)數(shù)。

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

1.2 管理現(xiàn)狀

我國(guó)的軍機(jī)年飛行強(qiáng)度偏低，僅有日歷時(shí)間的1%～3%，有些甚至更低，大部分時(shí)間飛機(jī)處于地面停放狀態(tài)，如圖1 所示的飛機(jī)結(jié)構(gòu)典型服役歷程，當(dāng)飛機(jī)服役到日歷壽命到壽時(shí)，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(wèn)題的原因在于，雖然現(xiàn)有的管理方式同時(shí)考慮了疲勞壽命與日歷壽命，但是，兩個(gè)指標(biāo)互相獨(dú)立，并未建立有效的聯(lián)系，疲勞壽命與日歷壽命嚴(yán)重不匹配。若以日歷壽命管理飛機(jī)的退役，在結(jié)構(gòu)疲勞壽命未得到充分利用的情況下，勢(shì)必會(huì)造成巨大的浪費(fèi)。因此，這種情況下，飛機(jī)往往會(huì)進(jìn)行延壽來(lái)發(fā)揮其最大效能。決定飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命的使用條件，主要包含飛機(jī)結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中所承受的載荷-時(shí)間歷程（用載荷譜來(lái)描述），以及在地面停放和飛行中的環(huán)境-時(shí)間歷程（用環(huán)境譜來(lái)描述）。

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)典型服役歷程

2 腐蝕對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命的影響

2.1 腐蝕對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響

飛機(jī)長(zhǎng)期處于各種復(fù)雜的環(huán)境中，濕熱、鹽霧、霉菌、熱沖擊、紫外線、腐蝕液等都會(huì)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成侵蝕。尤其我國(guó)地域遼闊，飛機(jī)在整個(gè)壽命周期內(nèi)，可能會(huì)經(jīng)受各種不同地域、海域、空域環(huán)境的影響，如圖2 所示為某型機(jī)平尾大軸所遭受到的腐蝕。飛機(jī)疲勞關(guān)鍵件和關(guān)鍵部位處在腐蝕環(huán)境中，隨著年限的增加，腐蝕的作用勢(shì)必使結(jié)構(gòu)的疲勞品質(zhì)下降，從而降低疲勞壽命。現(xiàn)有的疲勞壽命確定方式，一般是在實(shí)驗(yàn)室無(wú)腐蝕作用下得出的結(jié)論，忽略了飛機(jī)長(zhǎng)期服役過(guò)程中各種環(huán)境因子的影響。飛機(jī)在高空飛行的過(guò)程中，由于環(huán)境條件較好，腐蝕環(huán)境因子影響的作用較小，處于地面停放狀態(tài)下，腐蝕環(huán)境因子的影響作用較大。

2.2 腐蝕對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命的影響

飛機(jī)在整個(gè)日歷周期內(nèi)，各種環(huán)境因素對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的作用是非常漫長(zhǎng)的，飛機(jī)即使長(zhǎng)年不進(jìn)行飛行，結(jié)構(gòu)也會(huì)老化失效。舉一個(gè)極端的例子，某架飛機(jī)常年處于沿海高腐蝕地區(qū)，另一架飛機(jī)常年處于內(nèi)陸良好環(huán)境地區(qū)，兩架飛機(jī)在整個(gè)服役期內(nèi)均未進(jìn)行飛行，則此時(shí)日歷壽命成為衡量?jī)杉茱w機(jī)使用壽命的主要指標(biāo)。很顯然，兩架飛機(jī)的日歷壽命必然存在由于環(huán)境影響而產(chǎn)生的差異。飛機(jī)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(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、磨損腐蝕、微生物腐蝕和氣氛腐蝕。

圖2 某型飛機(jī)平尾大軸斷裂部位嚴(yán)重腐蝕

3 環(huán)境譜

3.1 環(huán)境譜編制

研究腐蝕對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命的影響，必須建立對(duì)應(yīng)的使用環(huán)境譜。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的環(huán)境譜是以大量的環(huán)境數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)和折算的方法，給出對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕影響環(huán)境要素的作用強(qiáng)度、作用時(shí)間、作用次數(shù)以及它們的比例，定量描述飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面停放和空中飛行過(guò)程中所經(jīng)受的腐蝕環(huán)境歷程。飛機(jī)在整個(gè)日歷周期內(nèi)，各種環(huán)境因子對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是一個(gè)漫長(zhǎng)而又復(fù)雜的過(guò)程，如果要求所編制的環(huán)境譜完全描述所有環(huán)境因子的作用與歷程是沒(méi)有意義的。

因?yàn)檫@樣不僅要耗費(fèi)巨大的工程，而且技術(shù)實(shí)施上也有困難，因此實(shí)際工程中，通常對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行篩選和簡(jiǎn)化。篩選的原則是剔除環(huán)境要素中對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕、老化影響較小的因子，保留貢獻(xiàn)較大的部分，以達(dá)到數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化的目的。影響較大的環(huán)境參數(shù)一般有溫度、相對(duì)濕度、霧、凝露、雨和工業(yè)污染，并給出參數(shù)的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、發(fā)生頻率以及它們的組合作用。表1 為海軍某機(jī)場(chǎng)的地面停放環(huán)境譜，此環(huán)境譜充分展示了環(huán)境因素的綜合作用效果。

表1 海軍某機(jī)場(chǎng)的地面停放環(huán)境譜

3.2 加速試驗(yàn)環(huán)境譜

飛機(jī)的日歷壽命一般都在20 年以上，甚至更長(zhǎng)，因此，用真實(shí)服役的環(huán)境譜進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)顯然行不通。工程上只能采用試驗(yàn)室加速腐蝕的方法，建立加速試驗(yàn)環(huán)境譜，進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，使模擬件在加速試驗(yàn)環(huán)境譜下，用較短的時(shí)間達(dá)到與地面真實(shí)環(huán)境相同的腐蝕效果。這種當(dāng)量折算法的原理是法拉第定律，因?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕主要是由電化學(xué)腐蝕引起，電化反應(yīng)中，電核的轉(zhuǎn)移與反應(yīng)物質(zhì)的變化量之間有著嚴(yán)密的等量關(guān)系，根據(jù)腐蝕量相等準(zhǔn)則，可以引入折算系數(shù)，從而建立加速試驗(yàn)環(huán)境譜。如圖3 為當(dāng)量加速試驗(yàn)環(huán)境譜。

4 使用壽命評(píng)定

4.1 腐蝕條件下疲勞壽命評(píng)定

以一般環(huán)境（室溫大氣）下疲勞壽命定壽結(jié)論為基礎(chǔ)，引入腐蝕影響系數(shù)，將腐蝕條件下飛行小時(shí)數(shù)等損傷地折算為當(dāng)量的一般環(huán)境飛行小數(shù)，以其達(dá)到腐蝕條件下的疲勞壽命評(píng)定。

（1）定義腐蝕影響系數(shù)β，即

圖3 加速試驗(yàn)環(huán)境譜

（2）分析處理飛機(jī)使用地區(qū)的環(huán)境因素，假設(shè)溫度、相對(duì)濕度對(duì)疲勞壽命的影響系數(shù)分別為 Τα、 Ηα。

（3）對(duì)于其他環(huán)境因素，如海水、鹽霧、工業(yè)廢氣等，同樣可根據(jù)實(shí)際情況確定壽命影響因數(shù) Εα。

（4）通過(guò)試驗(yàn)或者分析得到飛機(jī)結(jié)構(gòu)在一般環(huán)境中的疲勞壽命fL，則依據(jù)各影響系數(shù)可得到飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕條件結(jié)構(gòu)疲勞壽命為

4.2 腐蝕條件下日歷壽命評(píng)定

文獻(xiàn)[1-3]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)飛機(jī)的翻修次數(shù)；mλ為飛機(jī)結(jié)構(gòu)防護(hù)圖層的日歷壽命；λ為機(jī)體結(jié)構(gòu)腐蝕到損傷容限 cD所要的時(shí)間。

式中：hi為實(shí)際環(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)。科學(xué)合理的機(jī)體材料的T-H 曲線是通過(guò)該模型獲得飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命的關(guān)鍵。

5 使用壽命的跟蹤監(jiān)控及控制

一直以來(lái)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用壽命被認(rèn)為是不可控的，即人們認(rèn)為飛機(jī)只能被動(dòng)地使用，直至飛機(jī)到壽停飛退役。然而，從腐蝕對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用壽命的影響可以看出，結(jié)構(gòu)的使用壽命與載荷、環(huán)境息息相關(guān)。通過(guò)合理的控制與調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行單機(jī)壽命追蹤，達(dá)到壽命的主動(dòng)控制而不是被動(dòng)消耗。單機(jī)疲勞壽命跟蹤監(jiān)控是在不影響飛機(jī)正常使用的情況下，在飛機(jī)上安裝監(jiān)控儀器和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，并經(jīng)地面數(shù)據(jù)處理設(shè)備的系統(tǒng)處理、轉(zhuǎn)換和計(jì)算，確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)上所監(jiān)控的危險(xiǎn)部位的壽命消耗情況。當(dāng)前，航空業(yè)主要有兩種壽命跟蹤手段，一種是飛行參數(shù)監(jiān)控，另一種是直接應(yīng)變監(jiān)控。

6 結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)的疲勞壽命與日歷壽命評(píng)定是一個(gè)綜合性復(fù)雜的多學(xué)科問(wèn)題，在今后我國(guó)飛機(jī)研制階段，應(yīng)特別注意疲勞壽命和日歷壽命指標(biāo)的合理性，建立完善的使用壽命評(píng)定體系，加強(qiáng)新型防腐技術(shù)的研究，同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)飛機(jī)的腐蝕監(jiān)控與檢測(cè)技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的單機(jī)壽命監(jiān)控，使飛機(jī)的使用壽命從“被動(dòng)消耗”到“主動(dòng)控制”模式的轉(zhuǎn)變。