飞机结构使用寿命评定技术研究

高长宝

（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150066）

飞机结构是飞机各种装备、设施的载体，是飞机实现各种任务的前提与基础。由于飞机各系统机载设备在飞机全寿命周期内可以更换，因此，一架飞机的使用寿命一般取决于机体结构的使用寿命。当机体结构的使用寿命到达无法修理或者修理不经济的状态，则宣告一架飞机的寿命终止。因此，飞机结构的使用寿命评定对飞机的使用寿命评定起着决定性的作用。

1 飞机结构使用寿命指标

1.1 疲劳寿命与日历寿命

飞机结构的使用寿命一般以飞行小时数、飞行起落数和飞行年限三个指标来表达，并以先达者为准。其中，飞行小时数和飞行起落数属于疲劳寿命的范畴，飞行年限则属于日历寿命的范畴。疲劳寿命的确定，当前已经形成了以Miner线性累计损伤理论为主的一套完整、科学的分析方法。线性累计损伤理论的基本假设为：各级交变应力引起的疲劳损伤可以分别计算，然后，再线性叠加在一起，某级应力水平造成的疲劳损伤与该级应力水平所施加的循环数和同一级应力水平下直至发生破坏时所需的循环数的比值成正比。比值/称为第级应力水平的损伤，总损伤等于各级损伤总和，当总损伤等于1 时结构发生疲劳破坏，即

式中，m 为应力水平级数。

日历寿命的确定则需要考虑地面停放环境、空中飞行环境和载荷的相互作用，并涉及冶金、材料、力学、电化学等诸多学科的交叉，其评定方法的复杂程度显而易见。

1.2 管理现状

我国的军机年飞行强度偏低，仅有日历时间的1%～3%，有些甚至更低，大部分时间飞机处于地面停放状态，如图1 所示的飞机结构典型服役历程，当飞机服役到日历寿命到寿时，疲劳寿命往往消耗不到一半，疲劳寿命利用率只有40%～60%。造成这种问题的原因在于，虽然现有的管理方式同时考虑了疲劳寿命与日历寿命，但是，两个指标互相独立，并未建立有效的联系，疲劳寿命与日历寿命严重不匹配。若以日历寿命管理飞机的退役，在结构疲劳寿命未得到充分利用的情况下，势必会造成巨大的浪费。因此，这种情况下，飞机往往会进行延寿来发挥其最大效能。决定飞机结构寿命的使用条件，主要包含飞机结构在服役过程中所承受的载荷-时间历程（用载荷谱来描述），以及在地面停放和飞行中的环境-时间历程（用环境谱来描述）。

图1 飞机结构典型服役历程

2 腐蚀对飞机结构寿命的影响

2.1 腐蚀对飞机结构疲劳寿命的影响

飞机长期处于各种复杂的环境中，湿热、盐雾、霉菌、热冲击、紫外线、腐蚀液等都会对飞机结构造成侵蚀。尤其我国地域辽阔，飞机在整个寿命周期内，可能会经受各种不同地域、海域、空域环境的影响，如图2 所示为某型机平尾大轴所遭受到的腐蚀。飞机疲劳关键件和关键部位处在腐蚀环境中，随着年限的增加，腐蚀的作用势必使结构的疲劳品质下降，从而降低疲劳寿命。现有的疲劳寿命确定方式，一般是在实验室无腐蚀作用下得出的结论，忽略了飞机长期服役过程中各种环境因子的影响。飞机在高空飞行的过程中，由于环境条件较好，腐蚀环境因子影响的作用较小，处于地面停放状态下，腐蚀环境因子的影响作用较大。

2.2 腐蚀对飞机结构日历寿命的影响

飞机在整个日历周期内，各种环境因素对飞机结构的作用是非常漫长的，飞机即使长年不进行飞行，结构也会老化失效。举一个极端的例子，某架飞机常年处于沿海高腐蚀地区，另一架飞机常年处于内陆良好环境地区，两架飞机在整个服役期内均未进行飞行，则此时日历寿命成为衡量两架飞机使用寿命的主要指标。很显然，两架飞机的日历寿命必然存在由于环境影响而产生的差异。飞机常见的腐蚀类型有均匀腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、丝状腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、磨损腐蚀、微生物腐蚀和气氛腐蚀。

图2 某型飞机平尾大轴断裂部位严重腐蚀

3 环境谱

3.1 环境谱编制

研究腐蚀对飞机结构寿命的影响，必须建立对应的使用环境谱。飞机结构的环境谱是以大量的环境数据为基础，通过统计和折算的方法，给出对飞机结构产生腐蚀影响环境要素的作用强度、作用时间、作用次数以及它们的比例，定量描述飞机结构地面停放和空中飞行过程中所经受的腐蚀环境历程。飞机在整个日历周期内，各种环境因子对结构的影响是一个漫长而又复杂的过程，如果要求所编制的环境谱完全描述所有环境因子的作用与历程是没有意义的。

因为这样不仅要耗费巨大的工程，而且技术实施上也有困难，因此实际工程中，通常对环境因子进行筛选和简化。筛选的原则是剔除环境要素中对结构腐蚀、老化影响较小的因子，保留贡献较大的部分，以达到数据简化的目的。影响较大的环境参数一般有温度、相对湿度、雾、凝露、雨和工业污染，并给出参数的强度、持续时间、发生频率以及它们的组合作用。表1 为海军某机场的地面停放环境谱，此环境谱充分展示了环境因素的综合作用效果。

表1 海军某机场的地面停放环境谱

3.2 加速试验环境谱

飞机的日历寿命一般都在20 年以上，甚至更长，因此，用真实服役的环境谱进行腐蚀试验显然行不通。工程上只能采用试验室加速腐蚀的方法，建立加速试验环境谱，进行腐蚀试验，使模拟件在加速试验环境谱下，用较短的时间达到与地面真实环境相同的腐蚀效果。这种当量折算法的原理是法拉第定律，因为飞机结构的腐蚀主要是由电化学腐蚀引起，电化反应中，电核的转移与反应物质的变化量之间有着严密的等量关系，根据腐蚀量相等准则，可以引入折算系数，从而建立加速试验环境谱。如图3 为当量加速试验环境谱。

4 使用寿命评定

4.1 腐蚀条件下疲劳寿命评定

以一般环境（室温大气）下疲劳寿命定寿结论为基础，引入腐蚀影响系数，将腐蚀条件下飞行小时数等损伤地折算为当量的一般环境飞行小数，以其达到腐蚀条件下的疲劳寿命评定。

（1）定义腐蚀影响系数β，即

图3 加速试验环境谱

（2）分析处理飞机使用地区的环境因素，假设温度、相对湿度对疲劳寿命的影响系数分别为 Τα、 Ηα。

（3）对于其他环境因素，如海水、盐雾、工业废气等，同样可根据实际情况确定寿命影响因数 Εα。

（4）通过试验或者分析得到飞机结构在一般环境中的疲劳寿命fL，则依据各影响系数可得到飞机结构腐蚀条件结构疲劳寿命为

4.2 腐蚀条件下日历寿命评定

文献[1-3]基于腐蚀的观点，给出了飞机结构日历寿命Y的计算公式：

式中，n为飞机飞机的翻修次数；mλ为飞机结构防护图层的日历寿命；λ为机体结构腐蚀到损伤容限 cD所要的时间。

式中：hi为实际环境谱中各级温湿度下的年小时数；Hi为T（温度）-H（时间）曲线中的i 级温度腐蚀至损伤容限所对应的小时数；j 为m 种腐蚀温度谱中的某一种；m 为腐蚀温度谱的种类数；k 为温度级数。科学合理的机体材料的T-H 曲线是通过该模型获得飞机结构日历寿命的关键。

5 使用寿命的跟踪监控及控制

一直以来，飞机结构的使用寿命被认为是不可控的，即人们认为飞机只能被动地使用，直至飞机到寿停飞退役。然而，从腐蚀对飞机结构使用寿命的影响可以看出，结构的使用寿命与载荷、环境息息相关。通过合理的控制与调控，可以实现对飞机进行单机寿命追踪，达到寿命的主动控制而不是被动消耗。单机疲劳寿命跟踪监控是在不影响飞机正常使用的情况下，在飞机上安装监控仪器和数据记录系统，并经地面数据处理设备的系统处理、转换和计算，确定飞机结构上所监控的危险部位的寿命消耗情况。当前，航空业主要有两种寿命跟踪手段，一种是飞行参数监控，另一种是直接应变监控。

6 结语

飞机的疲劳寿命与日历寿命评定是一个综合性复杂的多学科问题，在今后我国飞机研制阶段，应特别注意疲劳寿命和日历寿命指标的合理性，建立完善的使用寿命评定体系，加强新型防腐技术的研究，同时，应加强飞机的腐蚀监控与检测技术的研究，实现飞机的单机寿命监控，使飞机的使用寿命从“被动消耗”到“主动控制”模式的转变。