飞机结构件腐蚀监测研究

张丹峰，谭晓明，戚佳睿

（海军航空大学青岛校区 青岛 266041）

飞机结构件腐蚀监测研究

张丹峰，谭晓明，戚佳睿

（海军航空大学青岛校区 青岛 266041）

运用光纤光栅传感技术，监测飞机结构腐蚀发展规律，通过疲劳试验研究腐蚀损伤条件下飞机结构疲劳寿命衰减规律，为飞机结构寿命管理和健康监控奠定了理论基础和数据支持。

光纤光栅; 监测 ;腐蚀 ; 疲劳寿命

引言

腐蚀对飞机结构的损伤之大众所周知，损伤不但会加速裂纹的产生、扩展，而且减小了裂纹断裂的临界尺寸，降低了材料的断裂韧性，从而缩短了结构的裂纹形成寿命及裂纹扩展寿命，大大降低了飞机结构的使用寿命[1～3]。图1为某型飞机的腐蚀部位图片。当前飞机结构腐蚀一旦被发现维修人员可以做到马上进行修复，但对于内部可达性极差的部位，它的腐蚀很难被及时发现，往往等到发现时腐蚀情况已经非常严重了，甚至到了无法修复的地步，严重威胁了飞行安全。如果能够对飞机结构的腐蚀状况进行及时监测，对腐蚀状况及时告警，人们就可以更加主动地解决腐蚀问题[4]。光纤光栅的突出优点是重量较轻、尺寸较小、灵敏度较高、不受电磁干扰、耐腐蚀、机械强度高、集信息传输与传感于一体等[5]。利用光纤光栅应变传感技术可以实时监测飞机结构的腐蚀情况，对飞机结构腐蚀损伤进行监控。光纤光栅监控系统的基本组成如图2所示。

图1 某型飞机腐蚀情况

图2 光纤传感系统的基本组成

本文以某型飞机典型腐蚀关键结构为研究对象，针对其主要损伤形式（即腐蚀和疲劳）、主要失效形式（即腐蚀和腐蚀疲劳断裂），运用光纤光栅应变传感技术，进行腐蚀状况实时监控技术研究，通过研究得到不同程度腐蚀条件下飞机结构疲劳性能衰减规律，为飞机结构寿命管理和健康监控奠定了理论基础。

1 监测试验

1．1 试验件基材及试验件

本试验基材采用铝合金LY12CZ预拉伸板材。试验件取某型飞机关键结构形式，如图3所示，试验件见图4。铝合金板材为某型飞机主体铝合金LY12CZ预拉伸板材，螺栓的材料是30CrMnSiNi2A合金钢，涂H06-2底漆，再涂钢灰色H04-2面漆，在紧固孔处涂XM-21B密封胶以增强其防腐蚀能力。

1．2 光纤光栅及其粘贴方法

根据飞机金属结构的腐蚀特点和规律，选取合适的光栅粘贴部位，如图5所示。

1．3 加速腐蚀试验

为节省试验时间，参照HB 5455-90标准进行EXCO溶液浸泡试验。EXCO溶液配方如下：

分析纯NaCl为234 g/L；

分析纯KNO3为50 g/L；

分析纯HNO3为6.5 g/L；

浸泡试验温度为实验室温度为22～26 ℃。

针对如图4所示的关键结构模拟件进行加速腐蚀试验。

1．4 关键结构腐蚀监控过程

对试验件中的光栅波长进行实时监控，以实现对腐蚀进行实时监控的目的。图6（a）、（b）、（c） 分别为腐蚀试验时间为0 h、420 h和584 h时光纤光栅的反射谱图。

腐蚀后关键结构模拟件厚度8.95 mm，试验件原始厚度7.23 mm，可见腐蚀引起结构表面鼓包厚度为1.8 mm，如图7（a）所示。将鼓包处涂层去除，发现金属基体腐蚀严重，如图7（b）所示。

图3 结构模拟件示意图

图4 结构试验件照片

图5 关键结构试验件光栅粘贴示意图

图6 光纤光栅反射谱图

图7 关键结构模拟件腐蚀试验后照片

从图8可以看出，腐蚀损伤与光栅波长变化量呈线性关系，这充分证明了用光纤光栅实时监控关键结构腐蚀损伤的可行性和合理性。

图8 腐蚀监控光纤FBG30波长变化量与腐蚀损伤尺寸的关系

从图9的监控结果可知，随着腐蚀时间的增长，关键结构模拟件在初期腐蚀损伤逐渐增大，后期变化腐蚀损伤明显加剧平缓，这与实际观察结果是吻合的。

图9 关键结构腐蚀损伤尺寸与时间的关系

通过低温疲劳试验机MTS810进行疲劳试验，通过分析获得腐蚀损伤下某型飞机典型关键结构的疲劳寿命衰减规律，如图10所示。

图10 典型关键结构疲劳寿命衰减规律

2 结论

本文针对目前飞机腐蚀维修技术状况的缺陷，采用光纤光栅传感技术，进行结构腐蚀监控技术研究，能实现腐蚀状况实时监测，将目前腐蚀问题由被动处理模式转变为主动模式，能规避腐蚀对飞行安全构成的威胁，将大大提高飞机的安全性和可靠性。

[1] 谭晓明.基于光纤Bragg光栅的飞机异种金属连接件腐蚀监测技术研究[J].强度与环境, 2017,44(2).

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[5] 周智,何建平,吴源华,欧进萍. 土木结构的光纤光栅与布里渊共线测试技术[J].土木工程学报, 2010,43(3):111-118.

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

张丹峰（1970-），女，博士，海军航空大学青岛校区副教授，主要从事飞机结构腐蚀防护及寿命可靠性研究。