自然环境试验在飞机结构日历寿命评估中应用的改进措施

张 博，张少锋，胡湘洪，欧 永

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广州 510610；3.广东省工业机器人可靠性工程实验室，广州 510610； 4.泰州赛宝工业技术研究院有限公司，泰州 225300）

自然环境试验在飞机结构日历寿命评估中应用的改进措施

张 博1,2,3，张少锋1,2,3，胡湘洪1,2,3，欧 永4

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广州 510610；3.广东省工业机器人可靠性工程实验室，广州 510610； 4.泰州赛宝工业技术研究院有限公司，泰州 225300）

从内在因素、外在因素、保障因素、检测评价的角度，对自然环境试验在飞机定寿、延寿两类工作中的应用案例进行分析，提出改进措施，对自然环境试验在飞机结构日历寿命评估工作中应用水平的提高起到支撑作用。

自然环境试验；飞机结构；日历寿命

飞机结构日历寿命评估工作可分为新飞机定寿和老飞机延寿两大类[1,2]。在新飞机定寿方面，从立项阶段开始，研制单位便会围绕飞机日历寿命指标开展相应的分析、试验与评估工作，从设计、制造、储存、使用、维护等多方面保障飞机日历寿命指标，其评估工作涉及到材料、工艺、结构、载荷、环境、保障等主要机体结构日历寿命影响因素研究。在老飞机延寿方面，老飞机早已完成飞机设计和制造过程，其工作更多涉及到现有材料、工艺、结构在使用环境和保障条件下的日历寿命损伤问题。基于上述现状，本文分别从内在因素、外在因素、保障因素、检测评价的角度，对自然环境试验在新飞机定寿、老飞机延寿两类工作中的应用案例进行分析，提出改进措施。本文的研究成果将对自然环境试验在飞机结构日历寿命评估工作中应用水平的提高起到支撑作用。

1 应用案例一

某型飞机在论证、研制阶段即将自然环境试验列入研制方案中，制定了试验方案，明确了自然环境试验在研制过程中的目的和作用，开展了飞机结构及防护体系日历寿命自然环境试验与验证工作。从而获得了万余条环境影响效应数据，掌握了该型飞机典型结构环境损伤薄弱环节，为该型飞机结构设计、工艺改进提供了数据支撑。在飞机定型阶段，上述试验取得的数据成果，与机体结构日历寿命其它评估方法获得的数据（领先使用、工程分析、人工加速试验等），共同构成了该型飞机结构日历寿命指标构建的重要依据。

1.1 内在因素

试验样件采用单片件、盒形件、结构模拟件三种结构形式，分别模拟机身重要承力框、梁，起落架外筒、轮轴；典型半封闭结构；机身蒙皮与模锻件、钛合金承力构件、平尾大轴、主起下位锁梁等连接形式。选材覆盖了铝合金、钛合金、合金钢、不锈钢等几大类该型飞机结构主要材料，镙栓连接、铆钉连接、胶接等典型连接形式和相应防护工艺，基本涵盖了该型飞机容易发生日历损伤的重要部位。

1.2 外在因素

试验地点：某海岛大气试验站；

试验方式：采用户外、棚下、室内三种试验方式，分别模拟户外暴露、半遮蔽、机库三种停放环境；

试验载荷：无外载荷加载。

1.3 保障因素

保养方式：试验样件每周清水清洗1次，并用洁净的干抹布擦拭干净；

维修方式：样件损伤后返厂维修，按照飞机维修手册进行操作，维修时间视样件实际损伤情况而定。

1.4 检测评价

根据样件不同类型，采取不同检测方法进行评价。

单片件：含涂层样件进行色差、光泽度和外观检查，裸金属样件进行外观检查；

连接件：板材部分进行色差、光泽度和外观检查，连接部分进行外观检查；

盒形件：进行外观检查；

综合评级：参照GB/T 1766-2008 《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》对试验样件进行综合评级。

2 应用案例二

某型飞机在使用过程中，出现了一定程度日历寿命与工作寿命不匹配问题，需要对该型飞机日历寿命进行延寿，开展飞机结构及其防护体系日历寿命自然环境试验与验证工作。从而获得了千余条环境影响效应数据，探索了疲劳加载对钉孔边涂层细节的影响，掌握了该型飞机典型结构环境损伤薄弱环节，与后续试验数据一起，其将为该型飞机结构日历寿命评定和延长提供重要试验依据。

2.1 内在因素

试验样件采用含涂层模拟件，分为外部件、内部件两类，分别模拟机体结构外露和半封闭部位，包括机翼上壁板、机身下蒙皮、垂尾后梁、机翼后梁、起落架舱侧下梁等位置，试验材料以铝合金为主，并采用镙栓连接、铆钉连接等典型连接形式和相应防护工艺。

2.2 外在因素

试验地点：某海岛大气试验站；

试验方式：外露件采用户外试验，内部件采用棚下试验，分别模拟机体结构外露和半封闭环境条件；

试验载荷：样件分为加载组和对照组，加载组样件按照模拟部位的飞行载荷谱进行折算疲劳加载，加载周期1年1次，对照组则不进行加载处理，对比观察。

2.3 保障因素

保养方式：样件分为清洗组和对照组，清洗组样件每月清水清洗1次，并用洁净干抹布擦拭干净；

维修方式：目前暂无安排，计划在后续试验中增加维修处理，观察维修工艺有效期限。

2.4 检测评价

宏观检查：对样件进行肉眼外观检查，记录腐蚀损伤情况；

微观检查：利用体式显微镜对连接件铆钉、螺帽等局部位置进行涂层细节观察，研究疲劳加载对钉孔边涂层完整性的影响；

色差和光泽度检查；对连接件的正面板材部分进行色差和光泽度测试；

涂层厚度检查：对连接件的正面板材部分进行涂层厚度检查；

综合评级：参照GB/T 1766-2008 《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》对样件进行综合评级。

3 改进措施

飞机日历寿命工作是一项系统性、长期性工作，需要系统的、长期的开展机体结构日历寿命数据积累，积累的数据不仅要与飞机具有相同或相近的材料、工艺、结构特点，同时也要具备与真实使用环境相同或相近的载荷、环境、保障条件输入，这样得到数据才能与真实日历寿命情况有较高的对比性和参考利用价值[3～5]。

3.1 内在因素

飞机机体结构使用的材料、工艺、结构数量较多且种类不统一，这种情况给机体结构日历寿命评估工作带来了极大的不便。因此在具体开展机体结构日历寿命评估工作之前，首先需要确定机体结构材料、工艺、结构因素的日历寿命涵盖范围，选取样件既要具有一定的代表性，又要具有一定的覆盖率。

在上述两案例中，案例一选材覆盖了铝合金、钛合金、合金钢、不锈钢等飞机主要结构材料，单片件、连接件、盒形件等典型结构形式，镙接、铆接、胶接等典型连接方式及相应防护工艺，考虑较为全面。案例二对材料因素考察主要以铝合金为主，结构形式以连接件为主，针对性较强，集中考察了外在因素对结构关键部位/薄弱环节的影响。案例一是为新机型定寿，自然环境试验在飞机论证阶段即已开展，试验过程中获得的数据不断实时反馈研制单位，在飞机定型前即可获得较为系统、完整的试验数据，在该型飞机设计研制及日历寿命评估方面有重要参考价值。型号2是为老飞机延寿，老飞机早已定型，其设计因素较难更改，需要延寿的飞机通常已使用10～20年，积累了大量故障损伤经验，因此在开展延寿工作时，主要针对飞机关键部位进行考核，以此达到对飞机延寿的目的。

改进措施：在完成试验目标方面，上述两案例对各自材料、工艺、结构因素的考虑已基本较为全面，能够满足试验要求。除此之外，还应加强对局部结构的重视程度，结构损伤常发生在局部位置处，尤其是在一些封闭/半封闭结构部位，局部结构空间小，易产生环境自催化效应，导致严重腐蚀现象发生。

3.2 外在因素

外在因素对飞机结构日历寿命影响分为两类，地面停放环境影响和空中飞行载荷影响。

1）在地面停放方面，机体结构主要遭受大气环境中温度、湿度、盐雾、降雨、日照等多种环境因素的综合作用，自然环境试验以外界自然环境条件为应力输入，基本可以涵盖地面停放环境的主要影响因素。案例一、案例二选择的试验地点为永兴岛西沙试验站，选择西沙站开展试验评估工作符合我国战略发展方向；同时，在气候类型上，西沙试验站属于典型高温、高湿、高盐雾热带海洋性气候区域，综合环境条件极为严酷，可快速暴露机体结构及其防护体系缺陷，得到机体结构日历寿命下限参考值。在试验方式上，案例一采用户外、棚下、室内试验方式，模拟户外暴露、半遮蔽、机库三种停放环境；案例二有针对性的开展户外、棚下试验，模拟机体结构外露、半封闭环境条件。在不同试验目的下，两种选用方式各有所长，但显然型号1环境条件覆盖更为全面，可参考利用数据更多。

2）在飞行载荷方面，载荷不仅会破坏表面涂层完整性，同时也会影响基体金属腐蚀类型和腐蚀速率，对机体结构日历寿命影响较大。案例一未考虑载荷因素对机体结构日历寿命的影响；案例二则将试验样件划分为疲劳试验组和对比组，按照模拟部位等效载荷谱定期对样件进行疲劳加载，观察疲劳载荷对飞机结构日历寿命的影响。

改进措施：按载荷性质划分，飞行载荷可分为静载荷、动载荷、疲劳载荷、热载荷四大类。案例二主要考虑了疲劳载荷对机体结构表面涂层完整性的影响，但影响机体结构日历寿命的载荷因素还有很多，如静载拉应力、摩擦磨损等，这些载荷损伤效应都会影响机体结构的腐蚀/老化损伤类型和损伤速率，进而影响机体结构日历寿命。因此，在考察飞行载荷对机体结构日历寿命影响时，除疲劳载荷外，应尽可能根据模拟部位实际损伤情况考虑到静载应力、摩擦磨损等载荷损伤效应的影响，以接近机体结构真实日历寿命情况。

3.3 保障因素

在保障因素方面，案例一对样件进行了清洗，并规划了维修试验，将样件分成了维修组和对照组；案例二则将样件分成了清洗组和对照组，但未规划维修试验。

改进措施：在保养方面，开展对比分析试验有助于掌握保养周期、保养方式等保障策略，除清水清洗外，还可进行其它保养操作，如涂防锈油、缓释剂等，可根据飞机实际保养方式进行合理规划；在维修方面，开展维修对比试验有助于掌握维修操作对机体结构日历寿命的影响，获得的维修时间、维修后二次损伤时间对飞机日历寿命指标体系的构建具有较高的参考价值。建议分组开展保养和维修对比试验。

3.4 检测评价

在检测评价方面，案例一以外观检查为主，辅以表面涂层色差和光泽度测试，并对涂层损伤进行综合评级；案例二与案例一相比，增加了显微观察和涂层厚度等非破坏性测试。目前两型号检测评价仍存在定量、统一测试不足的缺点，不利于数据统筹运用，相对关系的建立。

改进措施：按性能指标类别进行划分，机体结构日历寿命性能指标可分为耐蚀性、静强度、耐久性指标三大类。对于腐蚀关键件，建议采用表面观察、最大点蚀深度、电化学阻抗测试[6,7]、涂层综合评级等方法着重考察涂层防护体系的老化失效行为和基体金属的腐蚀损伤容限等耐蚀性指标；对于疲劳关键件，合理选择疲劳、拉、压、弯曲、剪、冲击或裂纹探伤等力学性能测试手段着重考察静强度、耐久性指标随日历时间的退化情况；对于腐蚀疲劳关键件，则兼顾考察两者。

4 总结

在开展自然环境试验与验证工作时，应综合考虑材料、工艺、结构、载荷、环境、保障等因素对飞机日历寿命的影响，利用自然环境试验真实性、长效性特点，根据飞机使用环境和功能要求，结合地面停放-静载损伤-疲劳损伤-保养维护等工作特点，制定相应自然环境试验方案，对飞机结构多种性能指标（耐蚀性、静强度、耐久性等）定量评估，以接近飞机真实日历寿命损伤情况，为日历寿命评估工作提供参考性数据。

[1] 刘文珽,李玉海.飞机结构日历寿命体系评定技术[M]. 北京：航空工业出版社, 2004.

[2] 刘文珽,贺小帆.飞机结构腐蚀/老化控制与日历延寿技术[M]. 北京：国防工业出版社, 2010.

[3] 蔡建平,刘建华.材料延寿与可持续发展-材料环境适应性工程[M].北京：化学工业出版社, 2014.

[4] 李金贵.腐蚀控制设计手册[M]. 北京：化学工业出版社, 2006.

[5] 蒋祖国,田丁栓.飞机结构载荷/环境谱[M]. 北京：电子工业出版社, 2012.

[6] 张鉴清.电化学测试技术[M]. 北京：化学工业出版社, 2010.

[7] 曹楚南,张鉴清.电化学阻抗谱导论[M]. 北京：科学出版社, 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

张 博（1989-），男，吉林通化人，硕士，工程师，主要从事装备环境工程方向研究。

本文由2015年工业转型升级强基工程——装备环境适应性公共技术服务平台基金资助(TC150B5C0)。