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飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)連接件自然環(huán)境試驗(yàn)方法研究

嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-12-05 15:05

飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在腐蝕環(huán)境中，結(jié)構(gòu)連接件作為薄弱環(huán)節(jié)將優(yōu)先發(fā)生腐蝕，嚴(yán)重影響整體飛機(jī)的壽命及正常使用。目前，飛機(jī)在整體材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方法等方面已經(jīng)達(dá)到較成熟水平，但由于結(jié)構(gòu)連接件的特殊性，在自然環(huán)境試驗(yàn)方法及其評(píng)價(jià)方面仍有一定不足。本文從結(jié)構(gòu)連接部位工況特點(diǎn)，自然環(huán)境試驗(yàn)方法、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面進(jìn)行研究分析，以期為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、壽命預(yù)測(cè)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)連接件；腐蝕；自然環(huán)境

1、前言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在惡劣環(huán)境下，往往是優(yōu)先發(fā)生腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重影響整機(jī)的壽命及使用。目前，飛機(jī)在整體材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面水平已較成熟，但由于結(jié)構(gòu)連接件的特殊性，在環(huán)境試驗(yàn)方法方面仍有一定的不足，亟需研究一種合適的試驗(yàn)方法以滿足自然環(huán)境下結(jié)構(gòu)連接件評(píng)價(jià)需求。隨著飛機(jī)在不同環(huán)境使用需求的激增，飛機(jī)暴露出了以往未曾出現(xiàn)的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，美國(guó)一小飛機(jī)塞斯納172在沿海飛行時(shí)，右機(jī)翼突然空中折斷，事后查明，該故障是由于機(jī)翼主梁材料力學(xué)-海洋環(huán)境開(kāi)裂造成的。上述事故中發(fā)生失效的部件均為裝備承載結(jié)構(gòu)連部位，其失效原因與外界環(huán)境嚴(yán)酷程度及承載結(jié)構(gòu)連接件現(xiàn)有力學(xué)-環(huán)境試驗(yàn)考核評(píng)價(jià)方法不足均有一定關(guān)系。我國(guó)地域環(huán)境跨度大、飛機(jī)服役范圍廣，結(jié)構(gòu)連接件的服役環(huán)境嚴(yán)酷程度遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)、試驗(yàn)指標(biāo)要求，其環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題顯著。在標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方面，我國(guó)已建立了相關(guān)力學(xué)-環(huán)境試驗(yàn)考核方法，但其主要是針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，尚缺乏結(jié)構(gòu)連接件自然環(huán)境與力學(xué)因素交互作用下綜合損傷效應(yīng)的充分認(rèn)識(shí)。

2、典型連接結(jié)構(gòu)分類

連接結(jié)構(gòu)廣泛存在于飛機(jī)整體中，連接結(jié)構(gòu)通過(guò)相互連接組件的界面進(jìn)行承載和傳力，對(duì)于連接界面的功能可以分為承載特性和約束特性兩個(gè)方面。結(jié)構(gòu)件連接可分為動(dòng)力連接結(jié)構(gòu)和承載連接結(jié)構(gòu)。其中，動(dòng)力連接結(jié)構(gòu)主要由軸及聯(lián)軸器之間相互連接組成動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力連接結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的有傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)子連接、套齒連接、端齒聯(lián)接等；承載連接結(jié)構(gòu)主要是指金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件或部件之間的互相連接，金屬結(jié)構(gòu)連接常用焊縫連接、螺栓連接、鉚釘連接、膠接等。

3、結(jié)構(gòu)連接件自然環(huán)境試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

3.1 力學(xué)-環(huán)境綜合因素分析

近年來(lái)，隨著我國(guó)民用飛機(jī)研制的顯著進(jìn)步，飛機(jī)在惡劣環(huán)境地區(qū)飛行工作也不斷拓展，如惡劣海洋環(huán)境，與內(nèi)陸相比，南海、遠(yuǎn)海等具有獨(dú)特的極限和綜合環(huán)境特點(diǎn)，具有典型的高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)降雨的熱帶海洋性氣候特征。飛機(jī)在使用過(guò)程中不可避免會(huì)受到力學(xué)載荷-海洋環(huán)境綜合作用，不僅會(huì)加快基體金屬腐蝕速度，也會(huì)破壞結(jié)構(gòu)防護(hù)體系。

如圖1為飛機(jī)典型承載結(jié)構(gòu)連接件在惡劣海洋環(huán)境下的腐蝕情況圖，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的承載連接結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，由于受到材料電偶序、極化特性、陰陽(yáng)極接觸面積、陰陽(yáng)極距離等電偶腐蝕要素及應(yīng)力載荷、工藝因素的影響，加之惡劣的嚴(yán)酷環(huán)境作用，會(huì)導(dǎo)致裝備結(jié)構(gòu)件發(fā)生更加嚴(yán)重的腐蝕失效現(xiàn)象，進(jìn)而引起機(jī)體結(jié)構(gòu)性能的喪失。

據(jù)報(bào)道，民用飛機(jī)在西藏高原、遠(yuǎn)海海洋惡劣環(huán)境的年度故障率25%左右，高出其他內(nèi)陸飛機(jī)的一倍，這使得典型結(jié)構(gòu)連接件的防腐蝕設(shè)計(jì)、使用維護(hù)方法倍受考驗(yàn)。據(jù)相關(guān)調(diào)研，有近60%以上腐蝕損傷是由承載緊固連接部位產(chǎn)生的，如機(jī)體鋁合金蒙皮與鈦合金承載結(jié)構(gòu)件連接，機(jī)體鋁合金蒙皮與高強(qiáng)鋼攔阻鉤梁、平尾大軸、主起下位鎖梁連接，垂尾后梁鋁合金與復(fù)合材料連接。

3.2試驗(yàn)方法研究現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)研究者以典型航空材料為研究對(duì)象，開(kāi)展了大量研究工作。北京航空航天大學(xué)劉建華、李荻等人對(duì)7075鋁合金應(yīng)力腐蝕行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)航空鋁合金應(yīng)力腐蝕敏感性受陽(yáng)極溶解和氫致開(kāi)裂共同作用；西北工業(yè)大學(xué)沈海軍、呂國(guó)志等人通過(guò)測(cè)試7475-T761鋁合金在NaCl溶液中的應(yīng)變與腐蝕電流關(guān)系，分析了裂紋尖端陽(yáng)極溶解對(duì)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的影響；中科院沈陽(yáng)金屬研究所韓恩厚等人系統(tǒng)闡釋了應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展規(guī)律與機(jī)理等。國(guó)內(nèi)研究者在海南萬(wàn)寧開(kāi)展恒載荷拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置采用砝碼懸掛的方法。

在國(guó)外，美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）發(fā)布的試驗(yàn)方法NACETM0177標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)介紹了四類國(guó)外常用的靜載—環(huán)境試驗(yàn)方法，包括標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)法、標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗(yàn)法、標(biāo)準(zhǔn)C-環(huán)試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)雙懸臂梁試驗(yàn)，規(guī)定了四類方法開(kāi)展力學(xué)-環(huán)境試驗(yàn)的實(shí)施步驟和注意事項(xiàng)。以標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)法為例，主要包括砝碼懸重試驗(yàn)方法、環(huán)型彈簧加載、垂直彈簧加載。見(jiàn)圖2。

其中砝碼懸重法需將拉伸裝置固定在地面，裝置整體沉重，便攜性差。環(huán)型彈簧加載方法輕便、靈活，加載能力適中，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境應(yīng)用廣泛，但其裝置整體耐腐蝕性較弱。垂直彈簧的加載方法便攜性介于兩者之間，但與環(huán)型彈簧相比，其彈簧主體與拉伸樣件處于同一水平，需要其具有足夠剛性的框架維持載荷應(yīng)力，阻擋了自然環(huán)境因素對(duì)試驗(yàn)樣品的影響，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，且裝置空間利用率較差。此外，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法還嚴(yán)格的限制了扭轉(zhuǎn)載荷及電偶腐蝕的出現(xiàn)，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

美國(guó)材料與測(cè)試協(xié)會(huì)公布的ASTM-E8-08（金屬材料拉伸試驗(yàn)方法）標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)慢應(yīng)變速率法實(shí)施和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹，該方法優(yōu)點(diǎn)在于：靈敏度高，可定量判斷力學(xué)-環(huán)境損傷敏感性；而缺點(diǎn)在于：設(shè)備復(fù)雜，樣件尺寸要求苛刻，難適用于惡劣外場(chǎng)環(huán)境。

4、結(jié)構(gòu)連接件自然環(huán)境試驗(yàn)方法研究

飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)連接件受到載荷及環(huán)境的協(xié)同作用，會(huì)快速的腐蝕失效。目前應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞失效研究多集中在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，關(guān)于力學(xué)環(huán)境綜合試驗(yàn)的研究方法與實(shí)際自然環(huán)境無(wú)法達(dá)到，因此開(kāi)展飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)連接件力學(xué)-環(huán)境綜合試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的研究具有重要意義。

綜合目前結(jié)構(gòu)連接件自然環(huán)境試驗(yàn)研究現(xiàn)狀，經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為合適的結(jié)構(gòu)連接件自然環(huán)境試驗(yàn)方法需包含的內(nèi)容及注意事項(xiàng)有以下幾點(diǎn)：

4.1加載裝置的設(shè)計(jì)

首先，結(jié)構(gòu)連接件的自然環(huán)境-力學(xué)試驗(yàn)裝置需滿足相關(guān)要求。如設(shè)計(jì)裝置的最大載荷、設(shè)計(jì)載荷的線性度、裝置的重量可便攜移動(dòng)、裝置框架不影響自然環(huán)境因素輸入、裝置本體結(jié)構(gòu)耐腐蝕老化等，設(shè)計(jì)裝置的主要功能要求見(jiàn)表1。

4.2 試驗(yàn)樣件的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣品需要通用，便于加工，且符合實(shí)際工況結(jié)構(gòu)連接件的形式，例如試驗(yàn)樣品的表面狀態(tài)應(yīng)與實(shí)際使用狀態(tài)保持一致或相近，同批試驗(yàn)樣品應(yīng)具有相同的表面狀態(tài)。要針對(duì)環(huán)境適應(yīng)性損傷薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)，也要考慮經(jīng)濟(jì)適用性方面，可在相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣件的要求基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，一般采用矩形橫截面樣件或圓形橫截面的樣件。若有特別要求，可加工具有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)連接件形式，設(shè)計(jì)特殊試樣的幾何尺寸。

4.3 自然環(huán)境的設(shè)計(jì)

考慮到可模擬典型結(jié)構(gòu)連接件的實(shí)際工作環(huán)境，要求試驗(yàn)場(chǎng)地應(yīng)能代表典型惡劣氣候條件，場(chǎng)地周圍應(yīng)有圍墻或柵欄，并設(shè)有防雷、防火、防爆、防靜電、防盜和保密等安全設(shè)施。保證合適的測(cè)試條件，場(chǎng)地應(yīng)沒(méi)有影響開(kāi)展試驗(yàn)的不利因素。可參考相關(guān)自然環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.4 試驗(yàn)過(guò)程及評(píng)價(jià)方法的設(shè)計(jì)

4.4.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

為保證精度，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，確認(rèn)試驗(yàn)樣品類型、種類、數(shù)量。對(duì)于正、反面狀態(tài)相同的試驗(yàn)樣品，應(yīng)注明暴露面等。若有要求，樣件應(yīng)采用適當(dāng)?shù)牟牧线M(jìn)行前處理。除去其他影響因素，如邊緣腐蝕、表面除油、除氧化皮等。試驗(yàn)前，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)樣品種類及檢測(cè)項(xiàng)目要求進(jìn)行外觀、機(jī)械性能、功能性能等原始數(shù)據(jù)檢測(cè)。

4.4.2試驗(yàn)實(shí)施

根據(jù)試驗(yàn)具體形式根據(jù)試樣具體形式，采用合適試樣的夾具進(jìn)行夾持。將試驗(yàn)樣品主暴露面朝向赤道，與水平面成45°角；試驗(yàn)樣品之間或試驗(yàn)樣品與可能影響其腐蝕性能的任何材料不得直接接觸。若模擬靜載的試驗(yàn)樣件夾具需注意試驗(yàn)過(guò)程中的絕緣處理。若進(jìn)行動(dòng)載的試驗(yàn)樣件，需要關(guān)注加載頻率的設(shè)定，考慮試驗(yàn)機(jī)的類型、試樣材料、試樣綜合確定。

4.4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄及處理

試驗(yàn)期間，應(yīng)按相關(guān)國(guó)標(biāo)中的規(guī)定監(jiān)測(cè)和記錄相關(guān)環(huán)境因素。每一件試驗(yàn)樣品都應(yīng)有完整的檢測(cè)記錄，包括初始檢測(cè)記錄、中間檢測(cè)記錄、最終檢測(cè)記錄。記錄表格式參見(jiàn)附錄A。對(duì)試驗(yàn)運(yùn)行情況進(jìn)行記錄，主要包括：觀測(cè)或檢測(cè)時(shí)間、中斷與復(fù)位時(shí)間、試驗(yàn)樣品名稱、架位、數(shù)量、檢測(cè)項(xiàng)目等；試驗(yàn)中發(fā)生的異常現(xiàn)象及處理結(jié)果；試驗(yàn)設(shè)施和儀器設(shè)備的維護(hù)、保養(yǎng)及其故障的處理；其它事項(xiàng)。

5、飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)連接件自然環(huán)境試驗(yàn)方法驗(yàn)證研究

5.1 典型承載結(jié)構(gòu)連接件自然環(huán)境靜載拉力試驗(yàn)方法驗(yàn)證試驗(yàn)

應(yīng)選取典型的自然大氣環(huán)境地點(diǎn)，例如高原、遠(yuǎn)海、極寒等典型惡劣試驗(yàn)場(chǎng)地，開(kāi)展大氣自然環(huán)境靜載/動(dòng)載拉力試驗(yàn)方法驗(yàn)證，承載連接形式可選擇常用的結(jié)構(gòu)連接方式，例如選擇常見(jiàn)的螺接和鉚接兩種連接方式，示意圖如圖3。每一種連接方式設(shè)置對(duì)照組和應(yīng)力加載組；為了符合飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的受力情況，假設(shè)試樣應(yīng)力的加載大小為屈服應(yīng)力的30%和60%；試驗(yàn)時(shí)間12個(gè)月，每三個(gè)月進(jìn)行一次取樣，分析各試樣的腐蝕老化狀態(tài)。

5.2 承載連接結(jié)構(gòu)無(wú)載荷、加載荷自然環(huán)境試驗(yàn)方法驗(yàn)證結(jié)果研究

根據(jù)上述的驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后的樣件經(jīng)過(guò)以下分析：

1）形貌結(jié)果分析

對(duì)無(wú)載荷、加載載荷的樣件進(jìn)行宏/微觀的形貌觀察，記錄未加載載荷的結(jié)構(gòu)連接件經(jīng)過(guò)不同月份的自然環(huán)境試驗(yàn)后涂層形貌的變化，記錄樣品正反面螺栓處、鉚接處的變化。進(jìn)行樣品微觀分析時(shí)，觀察不同應(yīng)力載荷的樣品的涂層、樣件本體裂紋情況，有必要時(shí)進(jìn)行能譜檢測(cè)分析。

2）電化學(xué)結(jié)果分析

對(duì)各環(huán)境下的加載屈服應(yīng)力不同試驗(yàn)時(shí)間后結(jié)構(gòu)連接件進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，部位主要選擇樣品試驗(yàn)段（中部連接處），以評(píng)判涂層及氧化膜對(duì)基體的防護(hù)性能的退化行為。測(cè)試前為保證試樣表面狀態(tài)處于平衡條件，均把測(cè)試樣置于3.5%NaCl溶液中浸泡360h，然后進(jìn)行相關(guān)電化學(xué)測(cè)試。

6、結(jié)論

經(jīng)過(guò)典型結(jié)構(gòu)連接件自然環(huán)境試驗(yàn)方法研究分析，總結(jié)如下：

1）首先進(jìn)行典型連接結(jié)構(gòu)分類的梳理；

2）分析連接結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下的試驗(yàn)評(píng)價(jià)需求；

3）選擇典型連接結(jié)構(gòu)開(kāi)展承載結(jié)構(gòu)連接件自然環(huán)境試驗(yàn)方法研究并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

來(lái)源：環(huán)境試驗(yàn)

飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)連接件自然環(huán)境試驗(yàn)方法研究

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