張丹峰，譚曉明，戚佳睿

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 266041）

飛機結(jié)構(gòu)件腐蝕監(jiān)測研究

張丹峰，譚曉明，戚佳睿

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 266041）

運用光纖光柵傳感技術(shù)，監(jiān)測飛機結(jié)構(gòu)腐蝕發(fā)展規(guī)律，通過疲勞試驗研究腐蝕損傷條件下飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命衰減規(guī)律，為飛機結(jié)構(gòu)壽命管理和健康監(jiān)控奠定了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

光纖光柵; 監(jiān)測 ;腐蝕 ; 疲勞壽命

引言

腐蝕對飛機結(jié)構(gòu)的損傷之大眾所周知，損傷不但會加速裂紋的產(chǎn)生、擴展，而且減小了裂紋斷裂的臨界尺寸，降低了材料的斷裂韌性，從而縮短了結(jié)構(gòu)的裂紋形成壽命及裂紋擴展壽命，大大降低了飛機結(jié)構(gòu)的使用壽命[1～3]。圖1為某型飛機的腐蝕部位圖片。當(dāng)前飛機結(jié)構(gòu)腐蝕一旦被發(fā)現(xiàn)維修人員可以做到馬上進行修復(fù)，但對于內(nèi)部可達性極差的部位，它的腐蝕很難被及時發(fā)現(xiàn)，往往等到發(fā)現(xiàn)時腐蝕情況已經(jīng)非常嚴(yán)重了，甚至到了無法修復(fù)的地步，嚴(yán)重威脅了飛行安全。如果能夠?qū)︼w機結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況進行及時監(jiān)測，對腐蝕狀況及時告警，人們就可以更加主動地解決腐蝕問題[4]。光纖光柵的突出優(yōu)點是重量較輕、尺寸較小、靈敏度較高、不受電磁干擾、耐腐蝕、機械強度高、集信息傳輸與傳感于一體等[5]。利用光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)可以實時監(jiān)測飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕情況，對飛機結(jié)構(gòu)腐蝕損傷進行監(jiān)控。光纖光柵監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成如圖2所示。

圖1 某型飛機腐蝕情況

圖2 光纖傳感系統(tǒng)的基本組成

本文以某型飛機典型腐蝕關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為研究對象，針對其主要損傷形式（即腐蝕和疲勞）、主要失效形式（即腐蝕和腐蝕疲勞斷裂），運用光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)，進行腐蝕狀況實時監(jiān)控技術(shù)研究，通過研究得到不同程度腐蝕條件下飛機結(jié)構(gòu)疲勞性能衰減規(guī)律，為飛機結(jié)構(gòu)壽命管理和健康監(jiān)控奠定了理論基礎(chǔ)。

1 監(jiān)測試驗

1．1 試驗件基材及試驗件

本試驗基材采用鋁合金LY12CZ預(yù)拉伸板材。試驗件取某型飛機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示，試驗件見圖4。鋁合金板材為某型飛機主體鋁合金LY12CZ預(yù)拉伸板材，螺栓的材料是30CrMnSiNi2A合金鋼，涂H06-2底漆，再涂鋼灰色H04-2面漆，在緊固孔處涂XM-21B密封膠以增強其防腐蝕能力。

1．2 光纖光柵及其粘貼方法

根據(jù)飛機金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕特點和規(guī)律，選取合適的光柵粘貼部位，如圖5所示。

1．3 加速腐蝕試驗

為節(jié)省試驗時間，參照HB 5455-90標(biāo)準(zhǔn)進行EXCO溶液浸泡試驗。EXCO溶液配方如下：

分析純NaCl為234 g/L；

分析純KNO3為50 g/L；

分析純HNO3為6.5 g/L；

浸泡試驗溫度為實驗室溫度為22～26 ℃。

針對如圖4所示的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)模擬件進行加速腐蝕試驗。

1．4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)控過程

對試驗件中的光柵波長進行實時監(jiān)控，以實現(xiàn)對腐蝕進行實時監(jiān)控的目的。圖6（a）、（b）、（c） 分別為腐蝕試驗時間為0 h、420 h和584 h時光纖光柵的反射譜圖。

腐蝕后關(guān)鍵結(jié)構(gòu)模擬件厚度8.95 mm，試驗件原始厚度7.23 mm，可見腐蝕引起結(jié)構(gòu)表面鼓包厚度為1.8 mm，如圖7（a）所示。將鼓包處涂層去除，發(fā)現(xiàn)金屬基體腐蝕嚴(yán)重，如圖7（b）所示。

圖3 結(jié)構(gòu)模擬件示意圖

圖4 結(jié)構(gòu)試驗件照片

圖5 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)試驗件光柵粘貼示意圖

圖6 光纖光柵反射譜圖

圖7 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)模擬件腐蝕試驗后照片

從圖8可以看出，腐蝕損傷與光柵波長變化量呈線性關(guān)系，這充分證明了用光纖光柵實時監(jiān)控關(guān)鍵結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的可行性和合理性。

圖8 腐蝕監(jiān)控光纖FBG30波長變化量與腐蝕損傷尺寸的關(guān)系

從圖9的監(jiān)控結(jié)果可知，隨著腐蝕時間的增長，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)模擬件在初期腐蝕損傷逐漸增大，后期變化腐蝕損傷明顯加劇平緩，這與實際觀察結(jié)果是吻合的。

圖9 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)腐蝕損傷尺寸與時間的關(guān)系

通過低溫疲勞試驗機MTS810進行疲勞試驗，通過分析獲得腐蝕損傷下某型飛機典型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞壽命衰減規(guī)律，如圖10所示。

圖10 典型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)疲勞壽命衰減規(guī)律

2 結(jié)論

本文針對目前飛機腐蝕維修技術(shù)狀況的缺陷，采用光纖光柵傳感技術(shù)，進行結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)控技術(shù)研究，能實現(xiàn)腐蝕狀況實時監(jiān)測，將目前腐蝕問題由被動處理模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃幽Ｊ?，能?guī)避腐蝕對飛行安全構(gòu)成的威脅，將大大提高飛機的安全性和可靠性。

[1] 譚曉明.基于光纖Bragg光柵的飛機異種金屬連接件腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究[J].強度與環(huán)境, 2017,44(2).

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Research on Real-time Corrosion Monitoring of Aircraft Structure

ZHANG Dan-feng, TAN Xiao-ming, QI Jia-rui
(Naval Aeronautical University Qingdao Branch, Qingdao 266041)

This paper lays the foundations and provides some datas for life management and health monitoring of the aircraft structure by monitoring the development of aircraft structure corrosion and fatigue life by using the fiber Bragg grating sense technology and fatigue experiments in corrsive and damaged conditions.

fiber Bragg grating; monitoring; corrosion; fatigue life

V216.2

A

1004-7204(2017)04-0032-03

張丹峰（1970-），女，博士，海軍航空大學(xué)青島校區(qū)副教授，主要從事飛機結(jié)構(gòu)腐蝕防護及壽命可靠性研究。