王強，王勇軍，董江，肖馮

（成都飛機設(shè)計研究所，成都 610091）

腐蝕和疲勞是飛機整個壽命周期內(nèi)無法擺脫的兩個問題[1-2]。使用壽命是飛機的重要技術(shù)指標(biāo)，飛機結(jié)構(gòu)的使用壽命包括以飛行小時數(shù)或起落數(shù)表示的疲勞壽命和以使用年限表示的日歷壽命。在服役期間，飛機必然受到腐蝕環(huán)境和載荷的共同作用。一方面，飛機停放時，受到環(huán)境的作用，導(dǎo)致機體腐蝕；另一方面，飛機在飛行狀態(tài)下，腐蝕環(huán)境和載荷的共同作用加速了飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷[3]。地面停放時，環(huán)境腐蝕會使結(jié)構(gòu)的疲勞品質(zhì)下降，而空中環(huán)境與載荷共同作用的腐蝕疲勞則會加劇結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，從而降低飛機的疲勞壽命[4]。

目前單獨對疲勞問題或者腐蝕問題的研究較多，但是對二者聯(lián)合作用的腐蝕疲勞問題的研究較少，且多集中于對金屬疲勞機理及其影響因素的研究[5]。在實際使用中，飛機結(jié)構(gòu)經(jīng)常遭受到化學(xué)介質(zhì)、熱和氣候因素的侵蝕，環(huán)境腐蝕導(dǎo)致疲勞裂紋更加容易萌生，會縮短結(jié)構(gòu)件的壽命[6]。因此在飛機結(jié)構(gòu)的使用壽命評定中，應(yīng)充分考慮腐蝕因素的影響[7]。

目前，飛機在設(shè)計階段進行疲勞壽命設(shè)計時，通常是將一般環(huán)境下的計算壽命除以分散系數(shù)，得到結(jié)構(gòu)的安全壽命。安全壽命大于壽命指標(biāo)時，即為滿足設(shè)計壽命要求，對于腐蝕環(huán)境對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響考慮不足。文中以一般環(huán)境下的疲勞理論為基礎(chǔ)，開展腐蝕環(huán)境對結(jié)構(gòu)疲勞影響的試驗，研究腐蝕環(huán)境對結(jié)構(gòu)疲勞安全壽命的影響。

1 飛機疲勞壽命的分散性

由于各種隨機因素的影響，飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命存在明顯的分散現(xiàn)象，原因主要可以歸結(jié)為兩類：固有分散和外在分散。固有分散特性指由于材料、加工、裝配等導(dǎo)致的僅與結(jié)構(gòu)特性相關(guān)的分散性，簡稱為結(jié)構(gòu)分散性，常表現(xiàn)為指定載荷譜下的結(jié)構(gòu)壽命分散。外在分散通常是指載荷的分散性，通常用特定結(jié)構(gòu)在分散載荷下的壽命分散描述。

疲勞分散系數(shù)是飛機結(jié)構(gòu)壽命的可靠性指標(biāo)，通常對應(yīng)99.87的可靠度、90%的置信度。安全壽命由中值壽命除以分散系數(shù)得到。在飛機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計階段，需考慮各種疲勞分散性因素，確定飛機結(jié)構(gòu)的安全壽命。目前在確定壽命所使用的分散系數(shù)時，通常將分散系數(shù)大致分為結(jié)構(gòu)特性分散和機群使用分散[8]。為研究機群使用分散性，各國學(xué)者引入各種各樣的概率模型，其中對數(shù)正態(tài)分布、正態(tài)分布、威布爾分布均可用于描述機群使用分散性，其中對數(shù)正態(tài)分布擬合效果最佳[8]。對服役飛機而言，會經(jīng)受服役環(huán)境中各種介質(zhì)的腐蝕作用，腐蝕也是影響疲勞壽命分散的原因。

2 考慮腐蝕影響的疲勞壽命試驗

戰(zhàn)斗機機翼梁總是處于油箱環(huán)境中，即使在地面停放時，也會受到油箱積水對其的腐蝕。在飛機服役過程中，總是經(jīng)受著“地面停放腐蝕”和“空中飛行腐蝕疲勞”的交替作用。

2.1 試驗溶液濃度摸索

地面停放過程的加速模擬。飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限通常長達20～30 a，必須在實驗室進行加速腐蝕試驗，模擬長期的停放環(huán)境腐蝕作用。通過提高溶液濃度，縮短試驗時間，達到在較短時間再現(xiàn)腐蝕損傷的目的。文中取飛機服役年限為30 a。油箱艙積水環(huán)境參數(shù)見表1[9]。

表1 油箱積水成分及含量[9] Tab.1 Component and content of water solution in fuel tank[9]

油箱積水結(jié)構(gòu)模擬試驗件如圖1所示。試驗件材料為7050-T7452，表面噴涂S06-1010H聚氨酯底漆，連接件為HST11TB-8-6鈦合金100°沉頭抗剪型高鎖螺栓和HST1070CY-8鋁合金7050高鎖螺母。為模擬密封膠涂覆缺陷、漏涂，從偏安全的角度考慮，試驗件均未涂覆密封膠。

圖1 油箱結(jié)構(gòu)模擬試件 Fig.1 Piece of tank structure

分別采用1、20、50、100倍濃度的腐蝕溶液對2件試樣進行預(yù)試驗，試件在不同濃度溶液中浸泡后的宏觀形貌如圖2所示。以24 h為周期，檢查記錄試件表面的腐蝕情況，并更換溶液。試驗過程記錄如下：

圖2 不同濃度的油箱艙積水浸泡試驗 Fig.2 Different concentrations of tank water immersion test

1）在1倍濃度的油箱艙積水環(huán)境下浸泡20 d，螺母表面、螺母和螺釘間隙出現(xiàn)少量銹點。

2）在20倍濃度的油箱艙積水環(huán)境下浸泡1 d，螺母表面、螺母和螺釘間隙出現(xiàn)少量可見銹點，相當(dāng)于在1倍濃度溶液浸泡20 d。10 d后，螺母表面、螺母和螺釘間隙出現(xiàn)銹點，螺母出現(xiàn)可見銹蝕。

3）在50倍濃度的油箱艙積水環(huán)境下浸泡1 d，螺母出現(xiàn)了可見的銹蝕，相當(dāng)于在20倍濃度溶液浸泡10 d。浸泡5 d后，螺母表面、螺母和螺釘間隙銹點增加，有少量黑色腐蝕產(chǎn)物。浸泡11 d后，螺母出現(xiàn)了一定量的灰黑色腐蝕產(chǎn)物，螺母表面腐蝕面積在60%以上。

4）在100倍濃度的油箱艙積水環(huán)境下浸泡1 d，螺母出現(xiàn)了可見的銹蝕，有少量黑色腐蝕產(chǎn)物，相當(dāng)于在50倍溶液浸泡5 d。浸泡11 d后，螺母表面幾乎全部銹蝕，螺母表面及螺母和螺釘間隙有一定量的黑色腐蝕產(chǎn)物，螺母表面陽極化層，稍用力即脫落。

根據(jù)試驗結(jié)果，以螺母腐蝕程度來看：100倍濃度的腐蝕溶液浸泡1 d，相當(dāng)于50倍溶液浸泡5 d的 腐蝕量；50倍濃度溶液浸泡1 d，相當(dāng)于20倍濃度溶液浸泡10 d；20倍濃度溶液浸泡1 d，相當(dāng)于1倍濃度溶液浸泡20 d。采用線性折算，將服役30 a折算為100倍溶液腐蝕中11 d，即地面停放1 a，對應(yīng)著100倍溶液腐蝕8.8 h，1.25年對應(yīng)著11 h。

根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果，取100倍濃度的溶液進行地面停放加速腐蝕試驗。假定100倍濃度下11 h的腐蝕程度相當(dāng)于停放1.25 a，從而每個基本周期腐蝕-腐蝕疲勞交替試驗中的腐蝕試驗應(yīng)在100倍油箱艙積水溶液中腐蝕11 h。

空中飛行時，結(jié)構(gòu)所處環(huán)境為正常濃度的油箱艙積水，改變油箱艙積水濃度則改變了腐蝕疲勞的環(huán)境條件，故腐蝕疲勞采用正常濃度的油箱積水溶液。

2.2 常規(guī)疲勞試驗及預(yù)腐蝕-腐蝕疲勞試驗

正式試驗分為2組：一組為室溫環(huán)境下的常規(guī)疲勞試驗組，另一組為腐蝕-腐蝕疲勞試驗組。疲勞試驗在MTS試驗機上進行，采用正弦波加載。

1）常規(guī)疲勞試驗。在室溫環(huán)境下進行疲勞試驗，疲勞試驗載荷譜為基于實測載荷編制的90%嚴重譜。載荷譜為隨機譜，一個周期3080循環(huán)，當(dāng)量500飛行小時，載荷譜反復(fù)循環(huán)，直至斷裂。后對試驗件進行斷口反推，計算0.8 mm對應(yīng)的裂紋萌生壽命。疲勞試驗譜中最大載荷對應(yīng)的毛截面應(yīng)力水平為220 MPa。

2）腐蝕-腐蝕疲勞試驗。腐蝕-腐蝕疲勞試驗的流程如圖3所示。腐蝕疲勞試驗所采用的載荷譜及應(yīng)力水平與常規(guī)疲勞試驗載荷譜一致，腐蝕和腐蝕疲勞反復(fù)交替，直至試件斷裂，腐蝕疲勞試驗見圖4。試驗件斷裂后，對試驗件進行斷口反推，確定裂紋0.8 mm時對應(yīng)的萌生壽命。50倍光學(xué)顯微鏡下的斷口標(biāo)識線見圖5。

圖3 腐蝕-腐蝕疲勞試驗流程 Fig.3 Corrosion-corrosion fatigue test process process

圖4 腐蝕疲勞試驗過程 Fig.4 Test process of corrosion fatigue

圖5 疲勞試驗斷口上的標(biāo)識線 Fig.5 The marking lines on the fracture: a) overall picture of fracture surface in corrosion fatigue test; b) micrograph of fracture under 50 times optical microscope

3 試驗結(jié)果與分析

室溫大氣下的疲勞試驗結(jié)果和腐蝕-腐蝕疲勞試 驗結(jié)果見表2。疲勞試驗結(jié)束后，對疲勞斷口進行判讀，得到預(yù)腐蝕-腐蝕疲勞交替試驗試件的(a,t)數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 疲勞試驗a-t數(shù)據(jù) Fig.6 a-t data of fatigue test: a) room temperature fatigue test; b) pre corrosion corrosion fatigue test

表2 疲勞試驗結(jié)果 Tab.2 Results of fatigue test

3.1 試驗數(shù)據(jù)處理

1）中值壽命和標(biāo)準(zhǔn)差[10]。假定裂紋萌生壽命和總壽命均服從對數(shù)正態(tài)分布，記x=lgt，則x的概率密度函數(shù)為：

相關(guān)參數(shù)估計值為：

計算得到室溫大氣環(huán)境和腐蝕-腐蝕疲勞交替試驗試件的中值壽命和對數(shù)壽命標(biāo)準(zhǔn)差，見表3。

表3 中值壽命和對數(shù)壽命標(biāo)準(zhǔn)差 Tab.3 Mean value and standard deviation of logarithmic life

2）方差齊性檢驗[10]。采用F分布，檢驗不同狀態(tài)試件對數(shù)壽命是否具有方差齊性。如果檢驗表明具有方差齊性，則可估計得到總體標(biāo)準(zhǔn)差。兩種環(huán)境下的試件成組疲勞試驗對數(shù)壽命標(biāo)準(zhǔn)差分別為S1、S2,試件數(shù)分別為n1、n2，取顯著度α=0.1，經(jīng)計算，滿足：

式（3）表明，上述兩種環(huán)境下，疲勞試驗對數(shù)萌生壽命之間具有方差齊性，對數(shù)總壽命之間也具有方差齊性。綜合標(biāo)準(zhǔn)差為：

根據(jù)式（4）計算腐蝕-腐蝕疲勞試驗的萌生壽命和總壽命的綜合標(biāo)準(zhǔn)差分別為Sw,ini= 0.064，Sw,total= 0.056。

3）中值壽命對比[10]。兩種環(huán)境下試件壽命具有方差齊性時，設(shè)兩種狀態(tài)下的試件成組疲勞試驗對數(shù)壽命均值為μ1，μ2，取顯著度α=0.1，計算統(tǒng)計量：

經(jīng)計算，t＞tα(n1+n2－2)，表明上述兩種譜下兩種狀態(tài)疲勞試驗對數(shù)萌生壽命之間具有明顯差異，對數(shù)總壽命之間也具有明顯差異。油箱積水環(huán)境導(dǎo)致油箱結(jié)構(gòu)模擬試件萌生壽命中值降低約9.7%，總壽命中值降低約10.3%。

3.2 腐蝕對疲勞壽命的影響分析

腐蝕環(huán)境對疲勞壽命的影響主要體現(xiàn)在兩個階段，對疲勞裂紋萌生的影響和對疲勞裂紋擴展的影響。在裂紋萌生階段，腐蝕環(huán)境造成的局部缺陷會加速腐蝕疲勞的裂紋成核。在腐蝕環(huán)境和疲勞載荷共同作用下，腐蝕疲勞損傷在零件內(nèi)部逐漸累積，當(dāng)損傷達到臨界狀態(tài)時，腐蝕疲勞裂紋開始萌生。但腐蝕疲勞裂紋萌生的局部化性質(zhì)很難用實驗來鑒別裂紋成核的機理[11]。

當(dāng)零件形成疲勞裂紋之后，溶液中的反應(yīng)劑遷移至裂紋尖端區(qū)域，與裂紋尖端新裂開的金屬材料發(fā)生局部化學(xué)反應(yīng)，最簡單的是陽極溶解，直接決定了腐蝕介質(zhì)在疲勞裂紋擴展過程中所起的作用。裂紋尖端塑性區(qū)高形變的材料包含高密度的滑移帶，因此比周圍材料更容易腐蝕破壞[11]。

試驗件從螺栓孔邊斷裂，如圖7所示。50倍顯微鏡下室溫疲勞試驗斷口和預(yù)腐蝕-腐蝕疲勞試驗斷口照片如圖8所示。可以從斷口上清晰地看出，在腐蝕環(huán)境下，疲勞裂紋處有明顯的腐蝕痕跡，從而導(dǎo)致裂紋更早萌生和更快擴展。

圖7 試驗件斷裂位置 Fig.7 The fracture position of test pieces

圖8 50倍光學(xué)顯微鏡下疲勞試驗件斷口 Fig.8 The fracture of test piece under 50× light microscope

腐蝕對飛機疲勞壽命的影響，從結(jié)果上看，是腐蝕環(huán)境加速了飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命的消耗。文獻[12]引入腐蝕影響系數(shù)對腐蝕環(huán)境下的疲勞壽命進行監(jiān)控，文獻[13]介紹了包括“影響系數(shù)法”在內(nèi)的4種腐蝕條件下的疲勞壽命評估方法。文中采用“腐蝕影響系數(shù)法”，對試驗數(shù)據(jù)進行分析處理。

文獻[14]更詳細地介紹了“腐蝕影響系數(shù)法”的應(yīng)用。通過引入“腐蝕影響系數(shù)”，將腐蝕條件下飛行小時數(shù)當(dāng)量折算為常溫疲勞下的飛行小時數(shù)，具體折算過程如下。

以N表示飛行小時數(shù)，若飛機在給定時間間隔ΔTj=Tj-Tj-1中的飛行小時數(shù)為ΔNj，等損傷折算到一般環(huán)境下的飛行小時數(shù)為：

1 a內(nèi)，k(T)變化不大，從偏安全的角度考慮，用歷年的最終值取代，式（6）簡化為：

根據(jù)試驗結(jié)果，令腐蝕-腐蝕疲勞交替試驗和室溫大氣環(huán)境下的壽命比值為k，則：

式中：50,CFt為腐蝕-腐蝕疲勞交替試驗中值壽命；50,Rt為室溫大氣環(huán)境下疲勞試驗中值壽命。

則k值的單側(cè)置信下限kγ滿足：

取置信度 1γα=- 為50%、90%、95%，查表得到t分布單側(cè)置信下限，由此計算總壽命k值的單側(cè)置信下限 ,totalkγ及萌生壽命的單側(cè)置信下限 ,inikγ，見表4。

表4 腐蝕影響系數(shù)估計結(jié)果 Tab.4 Results of corrosion-influence-factors

4 綜合結(jié)構(gòu)和載荷分散的安全壽命

文獻[15]給出了疲勞試驗用的分散系數(shù)和理論分散系數(shù)的計算方法。由壽命服從對數(shù)正態(tài)分布，推導(dǎo)出中值壽命對應(yīng)99.87%可靠度的安全壽命為：

分散系數(shù)rSF為：

文獻[8]給出了某型飛機實測嚴重重心過載譜的標(biāo)準(zhǔn)差為0.084，且根據(jù)實際統(tǒng)計的情況來看，機翼載荷譜跟重心過載譜分散性一致，故機翼載荷譜對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差取σL=0.084。

根據(jù)文獻[16-17]，現(xiàn)役飛機的定壽中，通常認為綜合考慮結(jié)構(gòu)和載荷譜分散性的疲勞壽命，也用對數(shù)正態(tài)分布描述壽命標(biāo)準(zhǔn)差：

則根據(jù)式（13），用Sw,ini和Sw,total分別替代萌生壽命和總壽命的結(jié)構(gòu)分散標(biāo)準(zhǔn)差，計算得到綜合考慮結(jié)構(gòu)分散和載荷分散的萌生壽命標(biāo)準(zhǔn)差和總壽命標(biāo)準(zhǔn)差分別為：σ0,ini=0.101，σ0,total=0.106。根據(jù)疲勞分散系數(shù)的定義，由壽命服從對數(shù)正態(tài)分布，推導(dǎo)中值壽命對應(yīng)可靠度P、置信度γ的安全壽命，可靠度系數(shù)和置信系數(shù)為：

99.87%可靠度，90%[18-19]置信度對應(yīng)的疲勞分散系數(shù)和置信系數(shù)計算結(jié)果見表5。對應(yīng)的安全壽命為：

表5 分散系數(shù)和置信系數(shù) Tab.5 Reliability coefficients and confidence coefficients

根據(jù)表5中給出的試驗結(jié)果及式（14）和（15），計算出的腐蝕-腐蝕疲勞的安全壽命為：N0,ini,C=5550飛行小時，N0,total,C=6816飛行小時。通常嚴重譜下的疲勞壽命分散系數(shù)取值為2.67[20]，則不考慮腐蝕的條件下，結(jié)構(gòu)的萌生安全壽命為：N0,ini=5210飛行小時，安全總壽命為N0,total=6180飛行小時。Nini＞Nini,C，Ntotal＞Ntotal,C，表明軍機油箱結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段不考慮油箱積水環(huán)境腐蝕作用下，確定的安全壽命可以保證油箱結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的安全。

5 結(jié)論

1）腐蝕環(huán)境對油箱結(jié)構(gòu)模擬試件裂紋萌生過程和裂紋擴展過程均有不利影響，導(dǎo)致腐蝕環(huán)境下油箱結(jié)構(gòu)模擬試件的疲勞壽命會低于常溫環(huán)境，表現(xiàn)為在腐蝕和腐蝕疲勞交替下油箱結(jié)構(gòu)模擬試件裂紋萌生壽命和總壽命均有所降低，總壽命降低10.3%，萌生中值壽命降低9.7%。

2）載荷分散跟腐蝕環(huán)境無關(guān)，而腐蝕環(huán)境對油箱結(jié)構(gòu)模擬試件的結(jié)構(gòu)分散性亦不具有顯著性影響。油箱積水環(huán)境對油箱結(jié)構(gòu)模擬試件的疲勞安全壽命無顯著影響。

3）基于機翼梁結(jié)構(gòu)模擬件預(yù)腐蝕-腐蝕疲勞試驗與常規(guī)疲勞試驗結(jié)果的對比，目前使用分散系數(shù)2.67得到的安全壽命，可以覆蓋腐蝕環(huán)境的作用，可保證油箱積水結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)的安全。