張 博，張少鋒，胡湘洪，歐 永

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣州 510610；3.廣東省工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610； 4.泰州賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，泰州 225300）

自然環(huán)境試驗(yàn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命評(píng)估中應(yīng)用的改進(jìn)措施

張 博1,2,3，張少鋒1,2,3，胡湘洪1,2,3，歐 永4

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣州 510610；3.廣東省工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610； 4.泰州賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，泰州 225300）

從內(nèi)在因素、外在因素、保障因素、檢測(cè)評(píng)價(jià)的角度，對(duì)自然環(huán)境試驗(yàn)在飛機(jī)定壽、延壽兩類(lèi)工作中的應(yīng)用案例進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施，對(duì)自然環(huán)境試驗(yàn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命評(píng)估工作中應(yīng)用水平的提高起到支撐作用。

自然環(huán)境試驗(yàn)；飛機(jī)結(jié)構(gòu)；日歷壽命

飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命評(píng)估工作可分為新飛機(jī)定壽和老飛機(jī)延壽兩大類(lèi)[1,2]。在新飛機(jī)定壽方面，從立項(xiàng)階段開(kāi)始，研制單位便會(huì)圍繞飛機(jī)日歷壽命指標(biāo)開(kāi)展相應(yīng)的分析、試驗(yàn)與評(píng)估工作，從設(shè)計(jì)、制造、儲(chǔ)存、使用、維護(hù)等多方面保障飛機(jī)日歷壽命指標(biāo)，其評(píng)估工作涉及到材料、工藝、結(jié)構(gòu)、載荷、環(huán)境、保障等主要機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命影響因素研究。在老飛機(jī)延壽方面，老飛機(jī)早已完成飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，其工作更多涉及到現(xiàn)有材料、工藝、結(jié)構(gòu)在使用環(huán)境和保障條件下的日歷壽命損傷問(wèn)題。基于上述現(xiàn)狀，本文分別從內(nèi)在因素、外在因素、保障因素、檢測(cè)評(píng)價(jià)的角度，對(duì)自然環(huán)境試驗(yàn)在新飛機(jī)定壽、老飛機(jī)延壽兩類(lèi)工作中的應(yīng)用案例進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施。本文的研究成果將對(duì)自然環(huán)境試驗(yàn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命評(píng)估工作中應(yīng)用水平的提高起到支撐作用。

1 應(yīng)用案例一

某型飛機(jī)在論證、研制階段即將自然環(huán)境試驗(yàn)列入研制方案中，制定了試驗(yàn)方案，明確了自然環(huán)境試驗(yàn)在研制過(guò)程中的目的和作用，開(kāi)展了飛機(jī)結(jié)構(gòu)及防護(hù)體系日歷壽命自然環(huán)境試驗(yàn)與驗(yàn)證工作。從而獲得了萬(wàn)余條環(huán)境影響效應(yīng)數(shù)據(jù)，掌握了該型飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷薄弱環(huán)節(jié)，為該型飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支撐。在飛機(jī)定型階段，上述試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)成果，與機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命其它評(píng)估方法獲得的數(shù)據(jù)（領(lǐng)先使用、工程分析、人工加速試驗(yàn)等），共同構(gòu)成了該型飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命指標(biāo)構(gòu)建的重要依據(jù)。

1.1 內(nèi)在因素

試驗(yàn)樣件采用單片件、盒形件、結(jié)構(gòu)模擬件三種結(jié)構(gòu)形式，分別模擬機(jī)身重要承力框、梁，起落架外筒、輪軸；典型半封閉結(jié)構(gòu)；機(jī)身蒙皮與模鍛件、鈦合金承力構(gòu)件、平尾大軸、主起下位鎖梁等連接形式。選材覆蓋了鋁合金、鈦合金、合金鋼、不銹鋼等幾大類(lèi)該型飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要材料，鏍栓連接、鉚釘連接、膠接等典型連接形式和相應(yīng)防護(hù)工藝，基本涵蓋了該型飛機(jī)容易發(fā)生日歷損傷的重要部位。

1.2 外在因素

試驗(yàn)地點(diǎn)：某海島大氣試驗(yàn)站；

試驗(yàn)方式：采用戶(hù)外、棚下、室內(nèi)三種試驗(yàn)方式，分別模擬戶(hù)外暴露、半遮蔽、機(jī)庫(kù)三種停放環(huán)境；

試驗(yàn)載荷：無(wú)外載荷加載。

1.3 保障因素

保養(yǎng)方式：試驗(yàn)樣件每周清水清洗1次，并用潔凈的干抹布擦拭干凈；

維修方式：樣件損傷后返廠維修，按照飛機(jī)維修手冊(cè)進(jìn)行操作，維修時(shí)間視樣件實(shí)際損傷情況而定。

1.4 檢測(cè)評(píng)價(jià)

根據(jù)樣件不同類(lèi)型，采取不同檢測(cè)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

單片件：含涂層樣件進(jìn)行色差、光澤度和外觀檢查，裸金屬樣件進(jìn)行外觀檢查；

連接件：板材部分進(jìn)行色差、光澤度和外觀檢查，連接部分進(jìn)行外觀檢查；

盒形件：進(jìn)行外觀檢查；

綜合評(píng)級(jí)：參照GB/T 1766-2008 《色漆和清漆 涂層老化的評(píng)級(jí)方法》對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行綜合評(píng)級(jí)。

2 應(yīng)用案例二

某型飛機(jī)在使用過(guò)程中，出現(xiàn)了一定程度日歷壽命與工作壽命不匹配問(wèn)題，需要對(duì)該型飛機(jī)日歷壽命進(jìn)行延壽，開(kāi)展飛機(jī)結(jié)構(gòu)及其防護(hù)體系日歷壽命自然環(huán)境試驗(yàn)與驗(yàn)證工作。從而獲得了千余條環(huán)境影響效應(yīng)數(shù)據(jù)，探索了疲勞加載對(duì)釘孔邊涂層細(xì)節(jié)的影響，掌握了該型飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷薄弱環(huán)節(jié)，與后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)一起，其將為該型飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命評(píng)定和延長(zhǎng)提供重要試驗(yàn)依據(jù)。

2.1 內(nèi)在因素

試驗(yàn)樣件采用含涂層模擬件，分為外部件、內(nèi)部件兩類(lèi)，分別模擬機(jī)體結(jié)構(gòu)外露和半封閉部位，包括機(jī)翼上壁板、機(jī)身下蒙皮、垂尾后梁、機(jī)翼后梁、起落架艙側(cè)下梁等位置，試驗(yàn)材料以鋁合金為主，并采用鏍栓連接、鉚釘連接等典型連接形式和相應(yīng)防護(hù)工藝。

2.2 外在因素

試驗(yàn)地點(diǎn)：某海島大氣試驗(yàn)站；

試驗(yàn)方式：外露件采用戶(hù)外試驗(yàn)，內(nèi)部件采用棚下試驗(yàn)，分別模擬機(jī)體結(jié)構(gòu)外露和半封閉環(huán)境條件；

試驗(yàn)載荷：樣件分為加載組和對(duì)照組，加載組樣件按照模擬部位的飛行載荷譜進(jìn)行折算疲勞加載，加載周期1年1次，對(duì)照組則不進(jìn)行加載處理，對(duì)比觀察。

2.3 保障因素

保養(yǎng)方式：樣件分為清洗組和對(duì)照組，清洗組樣件每月清水清洗1次，并用潔凈干抹布擦拭干凈；

維修方式：目前暫無(wú)安排，計(jì)劃在后續(xù)試驗(yàn)中增加維修處理，觀察維修工藝有效期限。

2.4 檢測(cè)評(píng)價(jià)

宏觀檢查：對(duì)樣件進(jìn)行肉眼外觀檢查，記錄腐蝕損傷情況；

微觀檢查：利用體式顯微鏡對(duì)連接件鉚釘、螺帽等局部位置進(jìn)行涂層細(xì)節(jié)觀察，研究疲勞加載對(duì)釘孔邊涂層完整性的影響；

色差和光澤度檢查；對(duì)連接件的正面板材部分進(jìn)行色差和光澤度測(cè)試；

涂層厚度檢查：對(duì)連接件的正面板材部分進(jìn)行涂層厚度檢查；

綜合評(píng)級(jí)：參照GB/T 1766-2008 《色漆和清漆 涂層老化的評(píng)級(jí)方法》對(duì)樣件進(jìn)行綜合評(píng)級(jí)。

3 改進(jìn)措施

飛機(jī)日歷壽命工作是一項(xiàng)系統(tǒng)性、長(zhǎng)期性工作，需要系統(tǒng)的、長(zhǎng)期的開(kāi)展機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命數(shù)據(jù)積累，積累的數(shù)據(jù)不僅要與飛機(jī)具有相同或相近的材料、工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)也要具備與真實(shí)使用環(huán)境相同或相近的載荷、環(huán)境、保障條件輸入，這樣得到數(shù)據(jù)才能與真實(shí)日歷壽命情況有較高的對(duì)比性和參考利用價(jià)值[3～5]。

3.1 內(nèi)在因素

飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)使用的材料、工藝、結(jié)構(gòu)數(shù)量較多且種類(lèi)不統(tǒng)一，這種情況給機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命評(píng)估工作帶來(lái)了極大的不便。因此在具體開(kāi)展機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命評(píng)估工作之前，首先需要確定機(jī)體結(jié)構(gòu)材料、工藝、結(jié)構(gòu)因素的日歷壽命涵蓋范圍，選取樣件既要具有一定的代表性，又要具有一定的覆蓋率。

在上述兩案例中，案例一選材覆蓋了鋁合金、鈦合金、合金鋼、不銹鋼等飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料，單片件、連接件、盒形件等典型結(jié)構(gòu)形式，鏍接、鉚接、膠接等典型連接方式及相應(yīng)防護(hù)工藝，考慮較為全面。案例二對(duì)材料因素考察主要以鋁合金為主，結(jié)構(gòu)形式以連接件為主，針對(duì)性較強(qiáng)，集中考察了外在因素對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位/薄弱環(huán)節(jié)的影響。案例一是為新機(jī)型定壽，自然環(huán)境試驗(yàn)在飛機(jī)論證階段即已開(kāi)展，試驗(yàn)過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)不斷實(shí)時(shí)反饋研制單位，在飛機(jī)定型前即可獲得較為系統(tǒng)、完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在該型飛機(jī)設(shè)計(jì)研制及日歷壽命評(píng)估方面有重要參考價(jià)值。型號(hào)2是為老飛機(jī)延壽，老飛機(jī)早已定型，其設(shè)計(jì)因素較難更改，需要延壽的飛機(jī)通常已使用10～20年，積累了大量故障損傷經(jīng)驗(yàn)，因此在開(kāi)展延壽工作時(shí)，主要針對(duì)飛機(jī)關(guān)鍵部位進(jìn)行考核，以此達(dá)到對(duì)飛機(jī)延壽的目的。

改進(jìn)措施：在完成試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)方面，上述兩案例對(duì)各自材料、工藝、結(jié)構(gòu)因素的考慮已基本較為全面，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。除此之外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)局部結(jié)構(gòu)的重視程度，結(jié)構(gòu)損傷常發(fā)生在局部位置處，尤其是在一些封閉/半封閉結(jié)構(gòu)部位，局部結(jié)構(gòu)空間小，易產(chǎn)生環(huán)境自催化效應(yīng)，導(dǎo)致嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 外在因素

外在因素對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命影響分為兩類(lèi)，地面停放環(huán)境影響和空中飛行載荷影響。

1）在地面停放方面，機(jī)體結(jié)構(gòu)主要遭受大氣環(huán)境中溫度、濕度、鹽霧、降雨、日照等多種環(huán)境因素的綜合作用，自然環(huán)境試驗(yàn)以外界自然環(huán)境條件為應(yīng)力輸入，基本可以涵蓋地面停放環(huán)境的主要影響因素。案例一、案例二選擇的試驗(yàn)地點(diǎn)為永興島西沙試驗(yàn)站，選擇西沙站開(kāi)展試驗(yàn)評(píng)估工作符合我國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展方向；同時(shí)，在氣候類(lèi)型上，西沙試驗(yàn)站屬于典型高溫、高濕、高鹽霧熱帶海洋性氣候區(qū)域，綜合環(huán)境條件極為嚴(yán)酷，可快速暴露機(jī)體結(jié)構(gòu)及其防護(hù)體系缺陷，得到機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命下限參考值。在試驗(yàn)方式上，案例一采用戶(hù)外、棚下、室內(nèi)試驗(yàn)方式，模擬戶(hù)外暴露、半遮蔽、機(jī)庫(kù)三種停放環(huán)境；案例二有針對(duì)性的開(kāi)展戶(hù)外、棚下試驗(yàn)，模擬機(jī)體結(jié)構(gòu)外露、半封閉環(huán)境條件。在不同試驗(yàn)?zāi)康南?，兩種選用方式各有所長(zhǎng)，但顯然型號(hào)1環(huán)境條件覆蓋更為全面，可參考利用數(shù)據(jù)更多。

2）在飛行載荷方面，載荷不僅會(huì)破壞表面涂層完整性，同時(shí)也會(huì)影響基體金屬腐蝕類(lèi)型和腐蝕速率，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命影響較大。案例一未考慮載荷因素對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命的影響；案例二則將試驗(yàn)樣件劃分為疲勞試驗(yàn)組和對(duì)比組，按照模擬部位等效載荷譜定期對(duì)樣件進(jìn)行疲勞加載，觀察疲勞載荷對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命的影響。

改進(jìn)措施：按載荷性質(zhì)劃分，飛行載荷可分為靜載荷、動(dòng)載荷、疲勞載荷、熱載荷四大類(lèi)。案例二主要考慮了疲勞載荷對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)表面涂層完整性的影響，但影響機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命的載荷因素還有很多，如靜載拉應(yīng)力、摩擦磨損等，這些載荷損傷效應(yīng)都會(huì)影響機(jī)體結(jié)構(gòu)的腐蝕/老化損傷類(lèi)型和損傷速率，進(jìn)而影響機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命。因此，在考察飛行載荷對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命影響時(shí)，除疲勞載荷外，應(yīng)盡可能根據(jù)模擬部位實(shí)際損傷情況考慮到靜載應(yīng)力、摩擦磨損等載荷損傷效應(yīng)的影響，以接近機(jī)體結(jié)構(gòu)真實(shí)日歷壽命情況。

3.3 保障因素

在保障因素方面，案例一對(duì)樣件進(jìn)行了清洗，并規(guī)劃了維修試驗(yàn)，將樣件分成了維修組和對(duì)照組；案例二則將樣件分成了清洗組和對(duì)照組，但未規(guī)劃維修試驗(yàn)。

改進(jìn)措施：在保養(yǎng)方面，開(kāi)展對(duì)比分析試驗(yàn)有助于掌握保養(yǎng)周期、保養(yǎng)方式等保障策略，除清水清洗外，還可進(jìn)行其它保養(yǎng)操作，如涂防銹油、緩釋劑等，可根據(jù)飛機(jī)實(shí)際保養(yǎng)方式進(jìn)行合理規(guī)劃；在維修方面，開(kāi)展維修對(duì)比試驗(yàn)有助于掌握維修操作對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命的影響，獲得的維修時(shí)間、維修后二次損傷時(shí)間對(duì)飛機(jī)日歷壽命指標(biāo)體系的構(gòu)建具有較高的參考價(jià)值。建議分組開(kāi)展保養(yǎng)和維修對(duì)比試驗(yàn)。

3.4 檢測(cè)評(píng)價(jià)

在檢測(cè)評(píng)價(jià)方面，案例一以外觀檢查為主，輔以表面涂層色差和光澤度測(cè)試，并對(duì)涂層損傷進(jìn)行綜合評(píng)級(jí)；案例二與案例一相比，增加了顯微觀察和涂層厚度等非破壞性測(cè)試。目前兩型號(hào)檢測(cè)評(píng)價(jià)仍存在定量、統(tǒng)一測(cè)試不足的缺點(diǎn)，不利于數(shù)據(jù)統(tǒng)籌運(yùn)用，相對(duì)關(guān)系的建立。

改進(jìn)措施：按性能指標(biāo)類(lèi)別進(jìn)行劃分，機(jī)體結(jié)構(gòu)日歷壽命性能指標(biāo)可分為耐蝕性、靜強(qiáng)度、耐久性指標(biāo)三大類(lèi)。對(duì)于腐蝕關(guān)鍵件，建議采用表面觀察、最大點(diǎn)蝕深度、電化學(xué)阻抗測(cè)試[6,7]、涂層綜合評(píng)級(jí)等方法著重考察涂層防護(hù)體系的老化失效行為和基體金屬的腐蝕損傷容限等耐蝕性指標(biāo)；對(duì)于疲勞關(guān)鍵件，合理選擇疲勞、拉、壓、彎曲、剪、沖擊或裂紋探傷等力學(xué)性能測(cè)試手段著重考察靜強(qiáng)度、耐久性指標(biāo)隨日歷時(shí)間的退化情況；對(duì)于腐蝕疲勞關(guān)鍵件，則兼顧考察兩者。

4 總結(jié)

在開(kāi)展自然環(huán)境試驗(yàn)與驗(yàn)證工作時(shí)，應(yīng)綜合考慮材料、工藝、結(jié)構(gòu)、載荷、環(huán)境、保障等因素對(duì)飛機(jī)日歷壽命的影響，利用自然環(huán)境試驗(yàn)真實(shí)性、長(zhǎng)效性特點(diǎn)，根據(jù)飛機(jī)使用環(huán)境和功能要求，結(jié)合地面停放-靜載損傷-疲勞損傷-保養(yǎng)維護(hù)等工作特點(diǎn)，制定相應(yīng)自然環(huán)境試驗(yàn)方案，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)多種性能指標(biāo)（耐蝕性、靜強(qiáng)度、耐久性等）定量評(píng)估，以接近飛機(jī)真實(shí)日歷壽命損傷情況，為日歷壽命評(píng)估工作提供參考性數(shù)據(jù)。

[1] 劉文珽,李玉海.飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命體系評(píng)定技術(shù)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社, 2004.

[2] 劉文珽,賀小帆.飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕/老化控制與日歷延壽技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2010.

[3] 蔡建平,劉建華.材料延壽與可持續(xù)發(fā)展-材料環(huán)境適應(yīng)性工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2014.

[4] 李金貴.腐蝕控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

[5] 蔣祖國(guó),田丁栓.飛機(jī)結(jié)構(gòu)載荷/環(huán)境譜[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2012.

[6] 張鑒清.電化學(xué)測(cè)試技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

[7] 曹楚南,張鑒清.電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2002.

Improvement Measures of Natural Environmental Test Applied on the Aircraft Structure Calendar Life Assessment Process

ZHANG Bo1,2,3, ZHANG Shao-feng1,2,3, HU Xiang-hong1,2,3, OU Yong4
(1.The 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology of China, Guangzhou 510610; 2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology, Guangzhou 510610; 3. Guangdong Industrial Robot Reliability Engineering Laboratory, Guangzhou 510610; 4. Taizhou Industrial CEPREI Industrial Technology Research Institute, Taizhou 225300)

The research makes analysis of the natural environmental test on the aircraft structure calendar life from internal factor, external factor, guarantee factor and evaluation factor, and it proposes the improvement measures so as to makes progress in the control and management of natural environmental test on the aircraft calendar life.

natural environmental test; aircraft structure; aircraft calendar life

V258

A

1004-7204（2017）02-0015-04

張 博（1989-），男，吉林通化人，碩士，工程師，主要從事裝備環(huán)境工程方向研究。

本文由2015年工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)強(qiáng)基工程——裝備環(huán)境適應(yīng)性公共技術(shù)服務(wù)平臺(tái)基金資助(TC150B5C0)。