服役环境中航空结构主体材料失效机理研究

In recent years, as increasing number of aircraft reached or exceed their design life. It is becoming important to re-evaluate their service life and durability based on their condition and service environment. In corrosion environment, because of chemical and electro chemical reaction between surrounding medium and material elements, it is easy to form randomly lots of pits look-like semi-ellipse or semi-sphere on aircraft components surface. These corrosion pits, once formed, are exposed to static or dynamic stress, the areas of high stress concentrations around the pits will be the source of small cracks and can facilitate produce widespread small cracks, the small cracks will be interact intensively under the fatigue load, and link up to form a larger crack, which will continuously extent until make the destroy of corrosion components.Therefore, a need exists for the quantitative evaluation of the effects of service environment on aircraft structure. . In order to better understand how corrosion takes place and affect the aircraft structural integrity under service envvironment.The project made a pre-corrosion experiment of aluminum alloy LY12 and LYC4 in the different time and temperatue firstly ,and formed the corrosion damage on the surface of experimental material,then ,measured the space size of corrosion damage by electron microscope and did a fatigue experiment to corrosion damage material, and established the quantitative relationship between the materials - Environment - Time and corrosion damage degree as well as fatigue life. Based on the experiment analysis,the theoretical model of the atom embedded into the continuum model, using Cellular Automation,First Principle and meshless method, constructed to describe the structure damage evolution .Using this theoretical model ,the life the aircrafe structure under service environment can qualitatively predict .The result provides a theoretical reference for fatigue life prediction of an aricraft structure in complicated environments.

针对航空结构主体材料在服役环境中失效机理的复杂性和建立描述结构损伤演化模型的必要性。本项目在国内外研究成果的基础上，紧密结合我国国防现代化建设的需要,从材料、环境和载荷组成的体系入手；在实验室环境中，采用加速寿命试验，对航空结构主体材料的腐蚀疲劳特性进行研究，建立环境因素与腐蚀损伤及疲劳寿命间的关系；理论上把原子模型嵌入到连续介质模型中，结合元胞自动机方法、第一性原理和无网格方法，建立描述结构损伤演化的理论框架，分别对航空结构主体材料表面腐蚀损伤的形成、腐蚀损伤处微裂纹成核以及微裂纹到宏观裂纹的演化过程进行计算，计算得到服役环境中航空结构主体材料在外界载荷作用下的破坏寿命。研究结果为处于复杂环境中的飞机机体结构设计、在役飞机的寿命预测和机队管理，以及老龄飞机损伤评估等均具有很好的理论指导意义和工程应用价值。

为了认识并掌握服役环境中材料的失效机理，本项目采用试验和理论相结合的方法，对航空结构主体材料在环境与力学因素协同交互作用下的破坏过程进行研究，完成了如下工作:.1. 在实验室中,选择LY12CZ和LC4两种航空结构主体材料进行预腐蚀、疲劳破坏和金相观测试验。选取影响材料寿命的温度、时间和应力水平三个因素，经过统计分析发现，温度和时间对试件的疲劳寿命有显著的影响，应力水平对疲劳寿命没有显著的影响。.2. 建立了描述环境作用下航空结构主体材料表面腐蚀损伤形成及扩展的模型。在二维模型的基础上，完成腐蚀损伤形成及扩展的三维元胞自动机模型，选取腐蚀时间、溶液浓度和溶解概率三个因素对材料表面腐蚀损伤的形成及扩展进行了研究。结果发现，材料表面腐蚀损伤形成及扩展与时间、溶液浓度和溶解概率三者之间成幂函数关系。.3. 建立了航空结构主体材料表面腐蚀损伤处微裂纹萌生及扩展的模型。采用微观理论并结合C语言开发了模拟材料表面腐蚀损伤处微裂纹萌生及扩展的程序，对结构表面腐蚀损伤处裂纹萌生及扩展过程进行了研究。结果发现，在加载初期，腐蚀损伤底部的原子先偏离理想晶格位置、出现空缺和位错，随后腐蚀蚀坑底部的原子键开始断裂，空缺和位错在应力作用下合并，并在45度的方向萌生微裂纹，在载荷的作用下，微裂纹继续扩展逐渐演化成宏观裂纹。.4. 建立含宏裂纹航空结构主体材料的破坏模型。开发完成了含宏观裂纹结构破坏的参数化分析系统，对给定裂纹尺寸结构的剩余强度进行计算。结果发现，随着腐蚀损伤的发展，结构的有效尺寸减小，材料表面形貌变得复杂，在外载作用下出现应力集中区，从而加速结构破坏。.5. 统一材料表面腐蚀损伤处微裂纹萌生扩展模型与含宏观裂纹结构破坏模型，建立了环境作用下航空结构主体材料从微观裂纹到宏观裂纹一体化破坏的多尺度耦合模型。对环境作用下结构从微观裂纹萌生、微裂纹扩展、宏观裂纹萌生及扩展、结构最终破坏进行了研究。