張福澤空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

三維等損傷環(huán)境譜的編制原理和方法

張福澤*
空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

研究給出了一種真實(shí)使用環(huán)境的溫度、濕度和時(shí)間三維日歷壽命定壽譜。它包含：使用環(huán)境的原始參數(shù)的實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，參數(shù)合并和等腐蝕損傷折算，使用環(huán)境下的3個(gè)參數(shù)任意組合的三維譜編制。該三維譜可根據(jù)日歷壽命計(jì)算或試驗(yàn)需要，編制成多級(jí)溫度和多級(jí)濕度譜，也可編制成一級(jí)溫度和一級(jí)濕度譜。從理論上講，由于這些不同的譜具有相同損傷，因此最終計(jì)算和試驗(yàn)給出的日歷壽命相等，從而可消除腐蝕領(lǐng)域的“當(dāng)量折算”這個(gè)不準(zhǔn)確環(huán)節(jié)，使日歷壽命確定更加可靠。

金屬日歷壽命； 腐蝕； 腐蝕等損傷折算； 三維環(huán)境譜； 溫度； 濕度； 時(shí)間

環(huán)境譜是機(jī)械日歷壽命確定的基石，它在日歷壽命確定中的作用，相當(dāng)于蓋樓的地基作用。這個(gè)道理大家都了解，但至今，國(guó)內(nèi)外在機(jī)械日歷壽命研究中，尚沒(méi)有找到直接用真實(shí)環(huán)境的溫度、濕度和時(shí)間進(jìn)行編制等損傷譜的理論和編制方法。1999年，文獻(xiàn)[1]研究給出了一種金屬機(jī)件腐蝕損傷日歷壽命模型和確定方法，它可用相關(guān)的溫度、濕度、時(shí)間和腐蝕性能曲線(xiàn)，進(jìn)行金屬機(jī)件日歷壽命計(jì)算和試驗(yàn)，可直接給出使用日歷壽命。這在國(guó)際機(jī)械日歷壽命研發(fā)中，稱(chēng)得上是重要的里程碑。由此人們可以直接用真實(shí)使用環(huán)境參數(shù)(腐蝕溫度、濕度和時(shí)間)計(jì)算機(jī)械日歷壽命，可以說(shuō)，這是該領(lǐng)域中的重大突破。文獻(xiàn)[1]雖然建立了日歷壽命模型，但沒(méi)有給出如何編制溫度、濕度和時(shí)間的三維腐蝕環(huán)境譜的方法，截至目前，國(guó)外也沒(méi)有相關(guān)成果發(fā)表。本文針對(duì)日歷壽命計(jì)算和試驗(yàn)的需要進(jìn)行如下研究。

1 使用環(huán)境的原始參數(shù)

1.1 原始參數(shù)的實(shí)測(cè)地區(qū)

1) 原始參數(shù)地區(qū)的選擇：根據(jù)《區(qū)域定壽法》[2]的原則，在全國(guó)選定有代表性的若干個(gè)地區(qū)。

2) 原始參數(shù)實(shí)測(cè)單位：最好是專(zhuān)職的監(jiān)測(cè)站。

1.2 原始參數(shù)監(jiān)測(cè)的參數(shù)和內(nèi)容

1) 原始統(tǒng)計(jì)參數(shù)：溫度T、濕度RH、時(shí)間h以及與腐蝕相關(guān)的各種介質(zhì)成份及含量。

2) 原始統(tǒng)計(jì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容：監(jiān)測(cè)每1年每1天每1小時(shí)的溫度、濕度、時(shí)間和各介質(zhì)含量的變化值。

2 三維等損傷譜編制原理和方法

2.1 三維等損傷譜的由來(lái)

由于原始參數(shù)(T、RH和h)值是每年每天每小時(shí)的監(jiān)測(cè)值，這些監(jiān)測(cè)值繁多又無(wú)序，無(wú)法用于日歷壽命試驗(yàn)，因此必須在各參數(shù)間進(jìn)行合理地合并，使T、RH和h值可控而有序。但由于各國(guó)的專(zhuān)家們一直沒(méi)找到合理的合并原理和方法，因此直到今日仍無(wú)法編制出等損傷譜。自文獻(xiàn)[1]給出金屬材料的T-H曲線(xiàn)和RH-H曲線(xiàn)之后，本文開(kāi)始研究如何利用T-H曲線(xiàn)和RH-H曲線(xiàn)編制日歷壽命的三維等損傷環(huán)境譜。所謂三維等損傷環(huán)境譜，它包含3個(gè)參數(shù)和等腐蝕損傷兩方面內(nèi)容。三維是指使用環(huán)境中的溫度T、濕度RH和時(shí)間h的組合體；等損傷是指在編譜過(guò)程中各參數(shù)的合并和各譜之間轉(zhuǎn)換都是等腐蝕損傷的，保證編出的各種譜都是三維等損傷譜。

2.2 合理確定使用溫度和濕度的門(mén)檻值(Tw和RHw)

為了編制出可用于日歷壽命試驗(yàn)的三維等損傷譜，必須舍棄對(duì)金屬腐蝕損傷無(wú)貢獻(xiàn)或貢獻(xiàn)很小的溫度T和濕度RH。舍棄標(biāo)準(zhǔn)就是它們的門(mén)檻值Tw和RHw。Tw和RHw的理論值可根據(jù)材料T-H曲線(xiàn)和RH-H曲線(xiàn)的持久極限值(Tk和RHk)[3]確定。即Tw≤Tk、RHw≤RHk，如圖1和圖2所示。

圖1 材料的T-H曲線(xiàn)

Fig.1 T-H curve of material

圖2 材料的RH-H曲線(xiàn)

Fig.2 RH-H curve of material

2.3 參數(shù)之間的互相等損傷換算式

在文獻(xiàn)[1]發(fā)現(xiàn)T-H曲線(xiàn)和RH-H曲線(xiàn)之前，是無(wú)法在編制環(huán)境譜中進(jìn)行參數(shù)間互相等損傷換算的。有了T-H曲線(xiàn)和RH-H曲線(xiàn)之后，這個(gè)等損傷換算就可以解決了。參見(jiàn)圖1和圖2可知，由于T-H曲線(xiàn)和RH-H曲線(xiàn)上任意點(diǎn)的腐蝕損傷值都相等，因此在曲線(xiàn)的線(xiàn)性段內(nèi)，可得式(1)和式(2)：

(1)

(2)

2.4 原始三維等損傷譜

表1 1年原始三維平均譜

3 海南三維等損傷環(huán)境譜

3.1 陵水原始三維平均譜

表2所示的陵水原始三維平均譜是從海南萬(wàn)寧監(jiān)測(cè)站5年(2005—2009)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，刪除溫度T≤5.5 ℃和濕度RH≤65%的數(shù)據(jù)之后，用平均計(jì)算法計(jì)算出來(lái)的譜[4-5]。由于萬(wàn)寧屬陵水地區(qū)，因此稱(chēng)陵水環(huán)境譜。

3.2 陵水原始三維平均譜損傷計(jì)算

表2中陵水原始三維平均譜的腐蝕損傷計(jì)算如表3所示。本文中腐蝕損傷計(jì)算的H值取自文獻(xiàn)[6]中LY12CZ的T-H曲線(xiàn)和RH-H曲線(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(損傷臨界值Dc=0.1 mm)。

3.3 陵水三維等損傷試驗(yàn)譜

由于原始三維平均譜需要的試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)，用于試驗(yàn)必須按等損傷換算原則，進(jìn)行折算，使試驗(yàn)時(shí)間降低。

1) 表2的70%、75%向80%折算，85%、95%向100%折算，折算過(guò)程和結(jié)果如式(3)～式(13)和表4所示，其中H為腐蝕到損傷容限時(shí)的小時(shí)數(shù)。

(3)

表2 海南陵水5年原始三維平均環(huán)境譜

表3 原始三維平均譜的損傷D計(jì)算

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

2) 表4中10 ℃向15 ℃折算，35 ℃向30 ℃折算，得到表5所示的譜和表6所示的損傷計(jì)算，各折算譜的計(jì)算式省略，只給折算結(jié)果譜。

表4 海南陵水1年三維等損傷使用環(huán)境譜

3)表5譜中的80%向100%折算，得表7。

4) 表7譜中的15 ℃、20 ℃向35 ℃折算，得表8。

5) 表8譜的90%向100%折算，得表9。

6) 表8譜的25 ℃向40 ℃、30 ℃向50 ℃、35 ℃ 向60 ℃折算,得表10。

表5 表4譜的等損傷折算譜

Table 5 Equal damage conversion spectrum of Table 4 spectrum h

RH/%T/℃15202530∑hi80201.3431.91328.91234.6903.275.81067.0248.410052.3144.1363.481.25232.1(7.3months)

表6 表5譜的損傷D計(jì)算

表7 表5譜的等損傷折算譜和D計(jì)算

Table 7 Equal damage conversion spectrum of Table 5 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃15202530∑hi90100hi3.275.81067248.4Hi40320268802016016128hi85.8200.8516.8212.8Hi105186834506140192410.6(3.3months)∑hi/HiD=0.2638

表8 表7譜的等損傷折算譜和D計(jì)算

Table 8 Equal damage conversion spectrum of Table 7 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃253035∑hi901067248.439.0100516.8212.8125.12209.1(3.07months)∑hi/HiD=0.2638

表9 表8譜的等損傷折算譜和D計(jì)算

Table 9 Equal damage conversion spectrum of Table 8 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃253035∑hi100hi784.7274.7134.8Hi5061401933321194.2(1.66months)∑hi/HiD=0.2639

表10 表8譜的等損傷折算譜和D計(jì)算

Table 10 Equal damage conversion spectrum of Table 8 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃405060∑hi90100hi609.7138.019.5Hi1152089606720hi295.5121.366.0Hi2894229117581250(1.7months)∑hi/HiD=0.2638

7) 表9中的25 ℃向40 ℃、30 ℃向50 ℃、35 ℃ 向60 ℃折算,得表11。

表11 表9譜的等損傷折算譜和D計(jì)算

Table 11 Equal damage conversion spectrum of Table 9 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃405060∑hi100hi448.7156.671.1Hi2894229117580.94months∑hi/HiD=0.2638

4 重慶三維等損傷環(huán)境譜

4.1 重慶5年原始平均譜

刪除對(duì)腐蝕影響小的T≤5.5 ℃和RH≤70%數(shù)據(jù)之后，留下的有效RH與T對(duì)應(yīng)h的5年(2005—2009)有效原始平均譜，如表12所示。

表12 重慶5年原始三維環(huán)境譜

Table 12 Five year original 3D spectrum of Chongqing environment h

RH/%T/℃101520253075154.4114.698.0149.4121.680228.2150.0132.6201.889.685329.6187.8184.6266.260.890403.0232.8303.2326.437.095355.8329.0455.2338.222.0100114.0105.6209.4114.010.0∑∑hi/HiD=0.2452

4.2 重慶等腐蝕損傷折算的試驗(yàn)譜

1) 表12中的75%向80%、85%向90%、95% 向100%折算，得表13。

表13 表12譜的等損傷折算

Table 13 Equal damage conversion spectrum of Table 12 spectrum h

RH/%T/℃101520253080363.9247.1211.5319.4184.190680.0379.0428.9494.173.4100262.7241.7393.9249.718.8

2) 表13中的15 ℃向30 ℃折算，得表14。

表14 表13譜的等損傷折算

Table 14 Equal damage conversion spectrum of Table 13 spectrum h

RH/%T/℃10202530∑hi80363.9211.5319.4331.790680.0428.9494.1225.1100262.7393.9249.7111.24072.1(5.7months)

3) 表14中的10 ℃、20 ℃、25 ℃分別向35 ℃、40 ℃、45 ℃折算，得表15。

表15 表14譜的等損傷折算譜

Table 15 Equal damage conversion spectrum of Table 14 spectrum

RH/%T/℃30354045∑hi80331.7161.3115.0180.690225.1170.6183.8247.1100111.261.6166.8126.22080.4(2.9months)

4) 表15中的80%向100%折算，得表16。

5) 表15中的80%、90%向100%折算，得表17。

表16 表15譜的等損傷折算

Table 16 Equal damage conversion spectrum of Table 15 spectrum h

RH/%T/℃30354045∑hi90225.1170.6183.8247.1100146.677.9178.6144.81373.9(1.9months)

表17 表16譜的等損傷折算譜和D計(jì)算

Table 17 Equal damage conversion spectrum of Table 16 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃30354045∑hi100202.6120.2224.7207.5Hi4019333228942557755(1month)∑hi/HiD=0.2453

6) 表17的30 ℃、35 ℃向50 ℃折算，45 ℃向60 ℃折算，得表18。

表18 表17譜的等損傷折算譜和D計(jì)算

Table 18 Equal damage conversion spectrum of Table 17 spectrum andDcalculation h

RH/%T/℃405060∑hi100hi224.7198.1142.7Hi289422911758565.5(0.79months)∑hi/HiD=0.2453

7) 表13中的80%、90%向100%折算，得表19。

8) 表19中15 ℃、25 ℃分別向40 ℃、50 ℃折算，10 ℃、20 ℃、30 ℃向60 ℃折算，得表20。

表19 表13譜的等損傷折算譜和D計(jì)算

表20 表19譜的等損傷折算譜和D計(jì)算

Table 20 Equal damage conversion spectrum of Table 19 spectrum and calculation h

RH/%T/℃405060∑hi100hi105.0185.9224.6Hi2894229117580.72months∑hi/HiD=0.2452

5 結(jié) 論

1) 本文在國(guó)際機(jī)械日歷壽命研究中，首次給出三維等損傷使用環(huán)境譜。三維環(huán)境譜能真實(shí)地反映機(jī)械在外場(chǎng)的使用情況，這是因?yàn)闄C(jī)械在外場(chǎng)使用中，每天的任何時(shí)間都是溫度、濕度和介質(zhì)等同時(shí)作用，不是分別作用。那種分別編制的溫度-時(shí)間和濕度-時(shí)間的二維譜[7]，由于兩個(gè)二維譜的溫度和濕度計(jì)算方法不同，因此兩種譜的時(shí)間相差很大，這對(duì)日歷壽命試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生不真實(shí)的結(jié)果。三維譜在試驗(yàn)中，能實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)間里同時(shí)施加溫度、濕度和介質(zhì)，使日歷壽命確定更準(zhǔn)確。

2) 在國(guó)際環(huán)境譜研究中，首次用材料的T-H曲線(xiàn)和RH-H曲線(xiàn)進(jìn)行不同溫度、不同濕度間的等損傷折算，因此可編制出任何級(jí)別溫度和任何級(jí)別濕度的三維等損傷環(huán)境譜。由于這些譜與原始譜是等損傷的，因此用它們進(jìn)行試驗(yàn)，不僅降低了試驗(yàn)時(shí)間，還可以刪除“當(dāng)量折算”這個(gè)不準(zhǔn)確的環(huán)節(jié)。

3) 在中國(guó)首次給出海南陵水地區(qū)5種1年的三維等損傷環(huán)境譜和重慶地區(qū)8種1年的三維等損傷環(huán)境譜。這些譜都是根據(jù)這兩個(gè)地區(qū)5年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)等腐蝕損傷折算編制出來(lái)的，可供日歷壽命試驗(yàn)選用。根據(jù)文獻(xiàn)[8]試驗(yàn)研究，使用溫度譜適用于金屬材料日歷壽命試驗(yàn)，高溫譜40～80 ℃適用于涂層日歷壽命試驗(yàn)。

4) 本文提出的溫度門(mén)檻值Tw和濕度門(mén)檻值RHw的取值如何準(zhǔn)確確定，有待深入研究和討論。

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張福澤 男， 高工， 中國(guó)工程院院士。主要研究方向： 飛機(jī)壽命。

Tel: 010-66713310

E-mail: zhangfuzemail@163.com

Received： 2015-09-30； Revised： 2015-11-28； Accepted： 2015-12-14； Published online： 2015-12-22 14:59

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151222.1459.002.html

*Corresponding author. Tel.： 010-66713310 E-mail: zhangfuzemail@sina.com

Drawing up principle and method of 3D damage environmentspectrum of metallic calendar life

ZHANG Fuze*

AeronauticalArmamentsResearchInstitute,EquipmentAcademyofAirForce,Beijing100076,China

This paper has developed a principle and method of the 3D damage environment spectrum of metallic calendar life, which is made through the operating temperature, humidity and time. It contains actual measurement and statistics of the original parameter of the operating temperature; the formation principle of equal corrosion damage spectrum; 3D spectrum formation method made of the random combination of 3 parameters (temperature, humidity and time) of operating environment. Then cases of various 3D spectrum of two regions, namely, Hai Nan and Chong Qing are provided. This 3D spectrum can form a multi-layer humidity and multi-layer temperature spectrum on the basis of calendar life calculation and test demand. Meanwhile, 3D spectrums of one-layer humidity with multi-layer temperature spectrum or 3D spectrums of any other random combination can be formed. Theoretically, since these different spectrums are under equal damage, the calendar lives of final calculation and test are the same. In this way, the inaccurate “equivalent conversion” phase in the field of corrosion can be eradicated, making the determination of calendar life more reliable.

metallic calendar life; corrosion; convent of equal corrosion damage; 3D environment spectrum; temperature; humidity; time

2015-09-30；退修日期：2015-11-28；錄用日期：2015-12-14； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間： 2015-12-22 14：59

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張福澤． 三維等損傷環(huán)境譜的編制原理和方法[J]． 航空學(xué)報(bào), 2016, 37(2): 381-389. ZHANG F Z. Drawing up principle and method of 3D damage environment spectrum of metallic calendar life[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 381-389.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0338

V215.5

：A

： 1000-6893(2016)02-0381-09

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