三维等损伤环境谱的编制原理和方法

张福泽空军装备研究院 航空装备研究所， 北京 100076

三维等损伤环境谱的编制原理和方法

张福泽*
空军装备研究院 航空装备研究所， 北京 100076

研究给出了一种真实使用环境的温度、湿度和时间三维日历寿命定寿谱。它包含：使用环境的原始参数的实测和统计，参数合并和等腐蚀损伤折算，使用环境下的3个参数任意组合的三维谱编制。该三维谱可根据日历寿命计算或试验需要，编制成多级温度和多级湿度谱，也可编制成一级温度和一级湿度谱。从理论上讲，由于这些不同的谱具有相同损伤，因此最终计算和试验给出的日历寿命相等，从而可消除腐蚀领域的“当量折算”这个不准确环节，使日历寿命确定更加可靠。

金属日历寿命； 腐蚀； 腐蚀等损伤折算； 三维环境谱； 温度； 湿度； 时间

环境谱是机械日历寿命确定的基石，它在日历寿命确定中的作用，相当于盖楼的地基作用。这个道理大家都了解，但至今，国内外在机械日历寿命研究中，尚没有找到直接用真实环境的温度、湿度和时间进行编制等损伤谱的理论和编制方法。1999年，文献[1]研究给出了一种金属机件腐蚀损伤日历寿命模型和确定方法，它可用相关的温度、湿度、时间和腐蚀性能曲线，进行金属机件日历寿命计算和试验，可直接给出使用日历寿命。这在国际机械日历寿命研发中，称得上是重要的里程碑。由此人们可以直接用真实使用环境参数(腐蚀温度、湿度和时间)计算机械日历寿命，可以说，这是该领域中的重大突破。文献[1]虽然建立了日历寿命模型，但没有给出如何编制温度、湿度和时间的三维腐蚀环境谱的方法，截至目前，国外也没有相关成果发表。本文针对日历寿命计算和试验的需要进行如下研究。

1 使用环境的原始参数

1.1 原始参数的实测地区

1) 原始参数地区的选择：根据《区域定寿法》[2]的原则，在全国选定有代表性的若干个地区。

2) 原始参数实测单位：最好是专职的监测站。

1.2 原始参数监测的参数和内容

1) 原始统计参数：温度T、湿度RH、时间h以及与腐蚀相关的各种介质成份及含量。

2) 原始统计参数的监测内容：监测每1年每1天每1小时的温度、湿度、时间和各介质含量的变化值。

2 三维等损伤谱编制原理和方法

2.1 三维等损伤谱的由来

由于原始参数(T、RH和h)值是每年每天每小时的监测值，这些监测值繁多又无序，无法用于日历寿命试验，因此必须在各参数间进行合理地合并，使T、RH和h值可控而有序。但由于各国的专家们一直没找到合理的合并原理和方法，因此直到今日仍无法编制出等损伤谱。自文献[1]给出金属材料的T-H曲线和RH-H曲线之后，本文开始研究如何利用T-H曲线和RH-H曲线编制日历寿命的三维等损伤环境谱。所谓三维等损伤环境谱，它包含3个参数和等腐蚀损伤两方面内容。三维是指使用环境中的温度T、湿度RH和时间h的组合体；等损伤是指在编谱过程中各参数的合并和各谱之间转换都是等腐蚀损伤的，保证编出的各种谱都是三维等损伤谱。

2.2 合理确定使用温度和湿度的门槛值(Tw和RHw)

为了编制出可用于日历寿命试验的三维等损伤谱，必须舍弃对金属腐蚀损伤无贡献或贡献很小的温度T和湿度RH。舍弃标准就是它们的门槛值Tw和RHw。Tw和RHw的理论值可根据材料T-H曲线和RH-H曲线的持久极限值(Tk和RHk)[3]确定。即Tw≤Tk、RHw≤RHk，如图1和图2所示。

图1 材料的T-H曲线

Fig.1 T-H curve of material

图2 材料的RH-H曲线

Fig.2 RH-H curve of material

2.3 参数之间的互相等损伤换算式

在文献[1]发现T-H曲线和RH-H曲线之前，是无法在编制环境谱中进行参数间互相等损伤换算的。有了T-H曲线和RH-H曲线之后，这个等损伤换算就可以解决了。参见图1和图2可知，由于T-H曲线和RH-H曲线上任意点的腐蚀损伤值都相等，因此在曲线的线性段内，可得式(1)和式(2)：

(1)

(2)

2.4 原始三维等损伤谱

表1 1年原始三维平均谱

3 海南三维等损伤环境谱

3.1 陵水原始三维平均谱

表2所示的陵水原始三维平均谱是从海南万宁监测站5年(2005—2009)的监测数据中，删除温度T≤5.5 ℃和湿度RH≤65%的数据之后，用平均计算法计算出来的谱[4-5]。由于万宁属陵水地区，因此称陵水环境谱。

3.2 陵水原始三维平均谱损伤计算

表2中陵水原始三维平均谱的腐蚀损伤计算如表3所示。本文中腐蚀损伤计算的H值取自文献[6]中LY12CZ的T-H曲线和RH-H曲线试验数据(损伤临界值Dc=0.1 mm)。

3.3 陵水三维等损伤试验谱

由于原始三维平均谱需要的试验时间太长，用于试验必须按等损伤换算原则，进行折算，使试验时间降低。

1) 表2的70%、75%向80%折算，85%、95%向100%折算，折算过程和结果如式(3)～式(13)和表4所示，其中H为腐蚀到损伤容限时的小时数。

(3)

表2 海南陵水5年原始三维平均环境谱

表3 原始三维平均谱的损伤D计算

(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所示的谱和表6所示的损伤计算，各折算谱的计算式省略，只给折算结果谱。

表4 海南陵水1年三维等损伤使用环境谱

3)表5谱中的80%向100%折算，得表7。

4) 表7谱中的15 ℃、20 ℃向35 ℃折算，得表8。

5) 表8谱的90%向100%折算，得表9。

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

表5 表4谱的等损伤折算谱

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谱的损伤D计算

表7 表5谱的等损伤折算谱和D计算

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谱的等损伤折算谱和D计算

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谱的等损伤折算谱和D计算

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谱的等损伤折算谱和D计算

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谱的等损伤折算谱和D计算

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 重庆三维等损伤环境谱

4.1 重庆5年原始平均谱

删除对腐蚀影响小的T≤5.5 ℃和RH≤70%数据之后，留下的有效RH与T对应h的5年(2005—2009)有效原始平均谱，如表12所示。

表12 重庆5年原始三维环境谱

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 重庆等腐蚀损伤折算的试验谱

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

表13 表12谱的等损伤折算

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谱的等损伤折算

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 ℃分别向35 ℃、40 ℃、45 ℃折算，得表15。

表15 表14谱的等损伤折算谱

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谱的等损伤折算

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谱的等损伤折算谱和D计算

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谱的等损伤折算谱和D计算

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 ℃分别向40 ℃、50 ℃折算，10 ℃、20 ℃、30 ℃向60 ℃折算，得表20。

表19 表13谱的等损伤折算谱和D计算

表20 表19谱的等损伤折算谱和D计算

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 结 论

1) 本文在国际机械日历寿命研究中，首次给出三维等损伤使用环境谱。三维环境谱能真实地反映机械在外场的使用情况，这是因为机械在外场使用中，每天的任何时间都是温度、湿度和介质等同时作用，不是分别作用。那种分别编制的温度-时间和湿度-时间的二维谱[7]，由于两个二维谱的温度和湿度计算方法不同，因此两种谱的时间相差很大，这对日历寿命试验会产生不真实的结果。三维谱在试验中，能实现在同一时间里同时施加温度、湿度和介质，使日历寿命确定更准确。

2) 在国际环境谱研究中，首次用材料的T-H曲线和RH-H曲线进行不同温度、不同湿度间的等损伤折算，因此可编制出任何级别温度和任何级别湿度的三维等损伤环境谱。由于这些谱与原始谱是等损伤的，因此用它们进行试验，不仅降低了试验时间，还可以删除“当量折算”这个不准确的环节。

3) 在中国首次给出海南陵水地区5种1年的三维等损伤环境谱和重庆地区8种1年的三维等损伤环境谱。这些谱都是根据这两个地区5年监测数据经过等腐蚀损伤折算编制出来的，可供日历寿命试验选用。根据文献[8]试验研究，使用温度谱适用于金属材料日历寿命试验，高温谱40～80 ℃适用于涂层日历寿命试验。

4) 本文提出的温度门槛值Tw和湿度门槛值RHw的取值如何准确确定，有待深入研究和讨论。

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张福泽 男， 高工， 中国工程院院士。主要研究方向： 飞机寿命。

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；录用日期：2015-12-14； < class="emphasis_bold">网络出版时间：

时间： 2015-12-22 14：59

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

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

张福泽． 三维等损伤环境谱的编制原理和方法[J]． 航空学报, 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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