基于DFR的2024-T3铝合金当量加速关系试验研究_王继普.pdf

第 20 卷 第 2 期 装 备 环 境 工 程 2023 年 2 月 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 57 收稿日期：20220423；修订日期：20220628 Received：2022-04-23；Revised：2022-06-28 作者简介：王继普（1980），男，硕士。Biography：WANG Ji-pu(1980-),Male,Master.引文格式：王继普,杨卫平,陈跃良,等.基于 DFR 的 2024-T3 铝合金当量加速关系试验研究J.装备环境工程,2023,20(2):057-063.WANG Ji-pu,YANG Wei-ping,CHEN Yue-liang,et al.Experimental Research on Equivalent Accelerated Relationship of 2024-T3 Aluminium Alloy Based on DFRJ.Equipment Environmental Engineering,2023,20(2):057-063.基于 DFR 的 2024-T3 铝合金当量加速 关系试验研究 王继普1，杨卫平1，陈跃良2，张彦军1，史志俊1（1.航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089；2.海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041）摘要：目的目的 提出以反映结构材料疲劳性能的 DFR 为表征参量，研究建立 2024-T3 铝合金结构在大气自然环境预腐蚀与实验室加速试验预腐蚀后的 DFR 关系，为腐蚀环境下飞机铝合金结构的疲劳寿命设计提供方法。方法方法 以 2024-T3 铝合金试验件为研究对象，分别开展典型海洋大气环境自然暴露腐蚀后的 DFR 试验以及实验室加速腐蚀试验后的 DFR 试验，以 DFR 相等为条件，建立上述 2 种不同预腐蚀条件之间的 DFR 当量加速关系。结果结果 2024-T3 铝合金在自然暴露预腐蚀环境与实验室加速预腐蚀后的 DFR 值随腐蚀时间的增加均有不同程度的下降，万宁和青岛的 DFR 当量加速值分别为 0.642 1、0.701 2 a/d。结论结论 基于 DFR 的当量加速关系综合反映了预腐蚀对结构材料疲劳性能退化的影响，而 DFR 是飞机结构疲劳设计的基本参量，文中建立的当量加速关系可用于指导腐蚀环境下铝合金的疲劳寿命设计分析。关键词：DFR；2024-T3 铝合金；海洋大气自然暴露；当量加速关系；腐蚀；疲劳 中图分类号：V215.5 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)02-0057-07 DOI：10.7643/issn.1672-9242.2023.02.008 Experimental Research on Equivalent Accelerated Relationship of 2024-T3 Aluminium Alloy Based on DFR WANG Ji-pu1,YANG Wei-ping1,CHEN Yue-liang2,ZHANG Yan-jun1,SHI Zhi-jun1(1.The First Aircraft Design and Research Institute of AVIC,Xian 710089,China;2.Qingdao Campus of Naval Aviation University,Shandong Qingdao 266041,China)ABSTRACT:The work aims to take DFR that reflects the fatigue performance of structural materials as a characterization pa-rameter to study and establish the DFR relationship of 2024-T3 aluminum alloy structure after pre-corrosion in natural environ-ment and accelerated laboratory test,so as to provide a method for fatigue life design of aircraft aluminum alloy structure in corrosive environment.With 2024-T3 aluminum alloy test piece as the research object,the DFR test after natural exposure cor-rosion in typical marine atmospheric environment and accelerated corrosion in laboratory was carried out respectively.On the condition that DFR was equal,the DFR equivalent accelerated relationship between the above two different pre-corrosion con-ditions was established.After natural explosion in pre-corrosion environment and accelerated pre-corrosion in laboratory,the DFR of 2024-T3 aluminum alloy decreased to different degrees with the increase of corrosion time,and the DFR equivalent ac-58 装 备 环 境 工 程 2023 年 2 月 celerated values in Wanning and Qingdao were 0.642 1 a/d,and 0.702 1 a/d,respectively.The equivalent accelerated relation-ship based on DFR comprehensively reflects the effect of pre-corrosion on the fatigue performance degradation of structural materials.DFR is the basic parameter for the fatigue design of aircraft structure,and the equivalent accelerated relationship es-tablished can be used to guide the fatigue life design and analysis of aluminum alloy in corrosive environment.KEY WORDS:DFR;2024-T3 aluminum alloy;natural exposure in marine atmospheric environment;equivalent accelerated relationship;corrosion;fatigue 在军用飞机设计过程中，相关标准1和规范会对机体结构寿命指标做出明确要求，机体结构寿命指标通常有 3 项：飞行小时数、飞行起落数和日历年限，且 3 个指标以先到为限作为结构寿命指标的控制原则。飞行小时数和飞行起落数主要反映使用中交变载荷对飞机所造成的疲劳损伤，故也称为疲劳寿命；日历年限则反映飞机在服役环境（如腐蚀、维护水平等）下，能够保证其正常功能性能的持续日历时间，也称其为日历寿命。飞机结构的疲劳寿命和日历寿命均包括首翻修、修理间隔与总寿命。日历寿命与疲劳寿命的消耗，有着各自的特点和规律，寿命指标很难同步到达，不是造成日历寿命浪费就是疲劳寿命浪费。飞机结构疲劳设计的根本要求是：必须“是用尽可能小的经济成本，保证在飞机的整个设计使用寿命期内，结构安全性、结构能力、耐久性和可保障性处于期望的水平之上”2。飞机在实际服役过程中，不可避免地受到各种腐蚀环境介质的作用，使飞机结构金属材料产生腐蚀，非金属材料发生老化，从而影响飞机寿命。因此，飞机结构疲劳设计过程中必须考虑腐蚀环境的影响。飞机飞行时间远小于地面停放时间，且高空腐蚀环境因素较弱，飞机结构腐蚀环境的作用主要发生于地面停放阶段，载荷与环境的作用模式主要为预腐蚀疲劳。飞机结构疲劳设计时，按服役过程中实际时间历程来考虑环境腐蚀对结构的影响是十分困难的，也无法满足型号研制进度的需求。工程上，一般采用加速腐蚀试验技术来模拟这种影响，加速腐蚀试验技术的核心是加速环境谱和当量加速关系3。目前当量加速关系的建立通常采用以下 3 种方法：当量折算法、腐蚀程度对比法、疲劳强度（寿命）对比法4。疲劳强度通常可用细节疲劳额定值（Detail Fatigue Rating，DFR）表示，腐蚀后具有相同的 DFR值，表示其疲劳强度相同。DFR 的定义为相应应力比R=0.06、寿命N=105时的最大应力值，该数值具有95%可靠度、95%置信度5。疲劳强度（寿命）对比法主要用于结构疲劳关键部位，而结构疲劳关键部位的设计又是飞机结构疲劳设计的重点，结构疲劳关键部位设计品质直接决定整个飞机结构疲劳品质。DFR 作为表征飞机结构特定细节疲劳品质的最直接参数，其独特的优点是：采用以疲劳裕度表征的疲劳检查方法类似于用强度裕度表示的静强度校核方法，容易被设计人员接受和掌握，在打样阶段就能进行，大大提高了工作和设计质量，因而在飞机设计过程中被广泛使用。若能获得基于DFR 值的典型加速试验腐蚀环境与飞机结构预期服役腐蚀环境下的当量加速关系，对考虑腐蚀作用的飞机结构疲劳设计将具有重要意义。铝合金因其优良的性能在现代飞机结构设计中得到广泛应用6-7，2024 铝合金由于具有较高强度和良好的疲劳性能等优点8-11而被大量应用于飞机机身、机翼等结构中。某飞机的主要服役环境为海洋腐蚀环境，海洋环境的高温、高湿、高盐等“三高”腐蚀环境极易引起 2024 铝合金材料的腐蚀12-14，从而导致材料疲劳性能降低，影响飞机结构疲劳寿命。在飞机结构疲劳设计过程中，一般条件下（不考虑腐蚀影响，下同），疲劳寿命分析采用 DFR 方法，考虑腐蚀环境的影响时，采用腐蚀条件下修正的 DFR方法。该方法通过修正结构的 DFR 值来分析腐蚀对结构疲劳寿命的影响，因此需要获得结构在预期服役环境下的 DFR 值及变化规律。工程上，一般通过建立典型结构加速试验和预期使用环境的当量加速关系，来预估飞机预期使用环境下的 DFR 值及变化规律。考虑腐蚀影响的飞机结构疲劳设计，在飞机结构防护涂层失效前，按一般条件下对结构疲劳寿命进行分析，即不考虑腐蚀环境的影响。当结构防护涂层失效后，认为涂层已不能对结构起到防护作用，此时按不带防护涂层的结构（即裸材）考虑腐蚀环境对其寿命的影响，进而进行结构疲劳寿命分析。因此，不带防护涂层的基材在预期使用腐蚀环境下的 DFR 性能数据，是结构疲劳寿命设计的重要依据。鉴此，本文以飞机 2024-T3 铝合金为研究对象，设计制作试验件，开展典型海洋大气环境自然暴露试验和实验室加速腐蚀试验后的疲劳试验，以 DFR 值作为特征参量，建立基于 DFR 当量的不同预腐蚀条件下的加速关系，用于指导腐蚀环境下铝合金的疲劳寿命设计分析。1 试验 1.1 试验件 试验件由飞机常用的 2024-T3 铝合金预拉伸板材加工而成，表面粗糙度为 3.2 m，结构形式与尺寸如图1所示。图1中，L为板材轧制方向，厚度为6 mm，第 20 卷 第 2 期 王继普，等：基于 DFR 的 2024-T3 铝合金当量加速关系试验研究 59 材料