20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著腐蝕環(huán)境對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用壽命的影響越來(lái)越嚴(yán)重，飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞問題到了不得不解決的地步。這樣，美國(guó)自20世紀(jì)70年代中期以后的軍用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)以及我國(guó)自80年代末期以后的國(guó)軍標(biāo)，都明確規(guī)定了飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)要求，但從目前國(guó)內(nèi)外飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)看，并沒有完全按照這些設(shè)計(jì)要求去進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。換句話說(shuō)，人們并不完全清楚設(shè)計(jì)實(shí)踐應(yīng)該如何去滿足這些設(shè)計(jì)要求，這就使得設(shè)計(jì)實(shí)踐落后于設(shè)計(jì)要求的規(guī)定，這種設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)實(shí)踐的不一致性在國(guó)內(nèi)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中顯得尤為突出。

之所以會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)實(shí)踐的不一致性，一個(gè)重要原因是至今還未形成一套完整而成熟的飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)方法。本篇在闡述飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)基本原則的基礎(chǔ)上，引出飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞基本方法框架，以此作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

一、飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)內(nèi)涵

飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)，是一種基于腐蝕疲勞失效模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)理念，但它不是單一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，而是由至少一種與飛機(jī)使用壽命有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則所組成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)思想的核心可以是安全壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，也可以是耐久性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，還可以是損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，或者是這其中任意兩種甚至三種的組合，即安全壽命準(zhǔn)則加損傷容限準(zhǔn)則或耐久性準(zhǔn)則加損傷容限準(zhǔn)則，甚至是安全壽命準(zhǔn)則、耐久性準(zhǔn)則加損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，這要根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)不同部件和關(guān)鍵件選擇何種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則而定。

由上述分析可以看出，這里所說(shuō)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)中的“疲勞設(shè)計(jì)”已不是傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)概念，它至少具有以下三個(gè)含義。

（1）飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)的思想基礎(chǔ)是腐蝕疲勞失效模式，其設(shè)計(jì)要求是使所設(shè)計(jì)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受住腐蝕疲勞損傷。

（2）飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在飛機(jī)使用壽命期內(nèi)發(fā)生飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞破壞的概率減至最少。

（3）飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可以是安全壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、耐久性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的一種、兩種甚至三種。

表1安全壽命設(shè)計(jì)、耐久性設(shè)計(jì)和損傷容限設(shè)計(jì)的比較

正因?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是安全壽命準(zhǔn)則、耐久性準(zhǔn)則和損傷容限準(zhǔn)則，因此，在下面所要敘述的飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)方法中所提到腐蝕疲勞分析和腐蝕疲勞試驗(yàn)中的“疲勞”只是一個(gè)代名詞。它可以是疲勞分析、耐久性分析和損傷容限分析，也可以是疲勞試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)和損傷容限試驗(yàn)，但所有這些分析和大部分試驗(yàn)（全尺寸機(jī)體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室疲勞／耐久性／損傷容限試驗(yàn)除外）都是在腐蝕環(huán)境下進(jìn)行的。同樣，按飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐疲勞設(shè)計(jì)所給出的使用壽命可以是飛機(jī)設(shè)計(jì)使用壽命所規(guī)定的任何一種壽命（飛行小時(shí)、飛行次數(shù)、日歷壽命等），但所有這些壽命都是在載荷／環(huán)境譜條件下給出的。

二、飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)基本原則

在當(dāng)前飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐和抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)要求存在不一致性的情況下，特提出現(xiàn)階段我國(guó)飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)的如下5項(xiàng)基本原則。

（1）以常規(guī)疲勞為主的原則；

（2）腐蝕環(huán)境宜粗不宜細(xì)的原則；

（3）典型結(jié)構(gòu)件代替全尺寸機(jī)體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的原則；

（4）分析和試驗(yàn)相結(jié)合以分析為主的原則；

（5）突出腐蝕防護(hù)的原則。

為便于理解和記憶，現(xiàn)以順口溜的形式給出這些基本原則：“常規(guī)疲勞作主演，腐蝕疲勞配角戲；重復(fù)載荷要準(zhǔn)確，環(huán)境宜粗不宜細(xì)；典型構(gòu)件代機(jī)體，局部試驗(yàn)和分析；腐蝕防護(hù)最重要，防微杜漸勤修理�！�

1）以常規(guī)疲勞為主的原則

這里說(shuō)的常規(guī)疲勞是指不考慮腐蝕環(huán)境的疲勞，也就是通常所說(shuō)的空氣中的疲勞。從學(xué)科領(lǐng)域劃分來(lái)看，腐蝕疲勞既是一種腐蝕，又是一種疲勞。從飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，力學(xué)作用比腐蝕作用更重要，因此，應(yīng)首先把腐蝕疲勞看成是一種疲勞，從力學(xué)上考慮問題，然后再輔之于考慮腐蝕介質(zhì)影響問題。于是在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中處理常規(guī)疲勞和腐蝕疲勞問題這一對(duì)矛盾時(shí)，應(yīng)把常規(guī)疲勞作為矛盾的主要方面，首先解決常規(guī)疲勞問題，在此基礎(chǔ)上再考慮腐蝕環(huán)境影響的修正。常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)已有成熟的設(shè)計(jì)方法和豐富的經(jīng)驗(yàn)，按這個(gè)思路處理問題既省時(shí)省錢，又能解決工程實(shí)際問題。

2）腐蝕環(huán)境宜粗不宜細(xì)的原則

飛機(jī)在實(shí)際使用中遭受的腐蝕環(huán)境多達(dá)十幾種以上，從環(huán)境性質(zhì)來(lái)看，它們可分為化學(xué)環(huán)境和氣候環(huán)境，從環(huán)境來(lái)源看，它們可分為外部自然環(huán)境和內(nèi)部工作環(huán)境，而且這些環(huán)境參數(shù)往往是多元隨機(jī)變量，不可能也沒有必要把它們完全精確地描述出來(lái)，因此，描述這些環(huán)境宜粗不宜細(xì)。這里包括兩層意思：第一，對(duì)特定飛機(jī)可考慮并確定飛機(jī)可能經(jīng)受的少數(shù)幾種主要環(huán)境，而把一些次要的環(huán)境因素忽略掉；第二，在編制環(huán)境譜時(shí)要采取各種簡(jiǎn)化手段，使其能大致反映飛機(jī)真實(shí)使用環(huán)境即可。

3）典型構(gòu)件代替全尺寸機(jī)體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的原則

在目前條件下，無(wú)論從技術(shù)水平、試驗(yàn)手段或從經(jīng)費(fèi)上，對(duì)飛機(jī)整機(jī)或全尺寸部件進(jìn)行腐蝕疲勞試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的。一個(gè)可行的解決辦法是選擇一些既受嚴(yán)重疲勞載荷又受嚴(yán)重腐蝕環(huán)境影響的飛機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，進(jìn)行典型構(gòu)件的腐蝕疲勞試驗(yàn)和分析，以用于對(duì)實(shí)驗(yàn)室全尺寸飛機(jī)機(jī)體或部件疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，這就是用典型構(gòu)件代替全尺寸機(jī)體結(jié)構(gòu)的含義。

4）分析和試驗(yàn)相結(jié)合以分析為主的原則

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)常規(guī)的抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，也是采取分析和試驗(yàn)結(jié)合的原則，但在那種結(jié)合中最后“說(shuō)了算”的不是分析而是試驗(yàn)結(jié)果，而且主要是全尺寸飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)果。在飛機(jī)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)時(shí)也要堅(jiān)持分析和試驗(yàn)相結(jié)合的原則，與此同時(shí)還應(yīng)加上以上分析為主的原則。第一，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)室全尺寸機(jī)體結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)作為主要依據(jù)，典型構(gòu)件的腐蝕疲勞試驗(yàn)和分析主要用于對(duì)其進(jìn)行修正；第二，材料或標(biāo)準(zhǔn)試件腐蝕疲勞試驗(yàn)用于對(duì)典型構(gòu)件腐蝕分析提供材料性能數(shù)據(jù)，典型構(gòu)件腐蝕疲勞試驗(yàn)用于驗(yàn)證腐蝕疲勞分析結(jié)果，這兩種試驗(yàn)都是圍繞分析進(jìn)行的；第三，腐蝕疲勞試驗(yàn)的分散性比常規(guī)疲勞試驗(yàn)的分散性更大，難以用它直接作為修正的主要依據(jù)。

5）突出腐蝕防護(hù)的原則

飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐疲勞設(shè)計(jì)要把腐蝕防護(hù)作為重點(diǎn)，要把它放在優(yōu)先的位置來(lái)考慮，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)目的是為了使所設(shè)計(jì)的所有飛機(jī)結(jié)構(gòu)能夠在規(guī)定的使用期（使用壽命或檢修期）內(nèi)不致因腐蝕或其他損傷而導(dǎo)致關(guān)鍵部位開裂，從而降低功能和危及安全。為達(dá)此目的，主要應(yīng)通過(guò)腐蝕防護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。突出腐蝕防護(hù)包括以下內(nèi)容。

（1）除采取傳統(tǒng)的腐蝕防護(hù)措施外（防止“純”腐蝕），還要從腐蝕疲勞和使用壽命角度采取腐蝕防護(hù)措施。

（2）不僅要在設(shè)計(jì)階段采取腐蝕防護(hù)措施，而且在制造和使用過(guò)程中也要采取腐蝕防護(hù)措施。

（3）所采取的一些主要腐蝕防護(hù)措施要通過(guò)分析和試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其有效性。

三、飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)基本方法框架

為了使所設(shè)計(jì)的飛機(jī)盡可能滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)要求，根據(jù)上述的設(shè)計(jì)基本原則，提出目前階段飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)基本方法框架，如圖1所示。從圖1可知，飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)有許多環(huán)節(jié)，但首先應(yīng)抓住這樣四個(gè)基本環(huán)節(jié)：載荷／環(huán)境譜編制、典型構(gòu)件腐蝕疲勞分析、腐蝕疲勞試驗(yàn)和腐蝕防護(hù)。這幾個(gè)環(huán)節(jié)既相對(duì)獨(dú)立又相互依賴，下面分別簡(jiǎn)述之。

圖1飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)基本方法框架

1）編制飛機(jī)載荷／環(huán)境譜

載荷／環(huán)境譜既是典型構(gòu)件腐蝕疲勞分析和試驗(yàn)的直接依據(jù)，又可為腐蝕防護(hù)提供設(shè)計(jì)資料，因此，編制載荷／環(huán)境譜是飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。它包括編制飛機(jī)載荷譜、使用環(huán)境譜、當(dāng)量環(huán)境譜和試驗(yàn)載荷—環(huán)境譜。

2）典型構(gòu)件腐蝕疲勞分析

這里所說(shuō)的典型構(gòu)件腐蝕疲勞分析主要是指譜載下典型構(gòu)件腐蝕疲勞裂紋形成分析和裂紋擴(kuò)展分析。典型構(gòu)件腐蝕疲勞分析方法，主要是在常規(guī)疲勞分析法基礎(chǔ)上加以腐蝕環(huán)境下的修正，譜載下典型構(gòu)件腐蝕疲勞裂紋形成分析方法可分為名義應(yīng)力法和局部應(yīng)變法，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展分析方法是目前主要的確定性斷裂力學(xué)分析方法。

3）腐蝕疲勞試驗(yàn)

現(xiàn)階段用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的腐蝕疲勞試驗(yàn)從試件來(lái)分，可分為標(biāo)準(zhǔn)試件和典型構(gòu)件的腐蝕疲勞試驗(yàn)；從受載類型可分為常幅和譜載下的腐蝕疲勞試驗(yàn)；從破壞類型可分為腐蝕疲勞裂紋形成和裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。這些腐蝕疲勞試驗(yàn)主要是為腐蝕疲勞分析服務(wù)的。

標(biāo)準(zhǔn)試件腐蝕疲勞試驗(yàn)主要用于研究不同材料在腐蝕環(huán)境中的疲勞／斷裂特性，研究各種力學(xué)因素，如應(yīng)力比、加載波形、加載頻率等的影響，為飛機(jī)合理選材提供依據(jù)，為典型構(gòu)件腐蝕疲勞分析提供數(shù)據(jù)。飛機(jī)典型構(gòu)件腐蝕疲勞試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證典型構(gòu)件腐蝕疲勞分析結(jié)果，并且根據(jù)綜合分析結(jié)果來(lái)修正全尺寸飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室條件下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果。

4）腐蝕防護(hù)

腐蝕防護(hù)是指為保護(hù)飛機(jī)材料和結(jié)構(gòu)免受腐蝕／腐蝕疲勞損傷而采取的腐蝕控制措施。這里的腐蝕防護(hù)已經(jīng)超出了傳統(tǒng)的腐蝕防護(hù)概念，即不僅要從“純”腐蝕角度進(jìn)行腐蝕防護(hù)，而且要從腐蝕疲勞、從使用壽命角度進(jìn)行腐蝕防護(hù)。因此，它應(yīng)貫穿飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研制、定型、生產(chǎn)和使用的全壽命周期中，具體包括設(shè)計(jì)階段、制造過(guò)程和使用過(guò)程的腐蝕控制。

設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、飛機(jī)預(yù)計(jì)的使用方法和腐蝕環(huán)境采取腐蝕控制措施，這些措施主要包括：合理地選擇耐腐蝕材料，選擇合適的防護(hù)涂（鍍）層，選擇合適的電化學(xué)保護(hù)，選擇合適的結(jié)構(gòu)連接形式和合理的表面形狀，避免腐蝕介質(zhì)的積存，避免相鄰不同材料的不相容性，選擇合理的工藝和表面處理方式等。在設(shè)計(jì)定型階段的后期，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)使用壽命、設(shè)計(jì)使用載荷／環(huán)境譜、全尺寸疲勞試驗(yàn)及評(píng)估結(jié)果和結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件清單制定飛機(jī)結(jié)構(gòu)初期檢查維修大綱，以便飛機(jī)在達(dá)到甚至超過(guò)設(shè)計(jì)使用壽命期仍能保證結(jié)構(gòu)完整性。

制造過(guò)程的腐蝕控制包括兩方面內(nèi)容：第一，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)階段所確定的腐蝕防護(hù)工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)制造，如所有表面應(yīng)保證設(shè)計(jì)規(guī)定的表面粗糙度、嚴(yán)格執(zhí)行熱處理規(guī)范、對(duì)氫脆敏感材料不要在含氫環(huán)境下進(jìn)行焊接、裝配時(shí)控制裝配應(yīng)力避免產(chǎn)生過(guò)大殘余應(yīng)力等。第二，要保持生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)防腐防塵，如廠房保持干燥、避免污染源、避免工序間的腐蝕、清洗液和切削液無(wú)侵蝕作用等。

使用過(guò)程的腐蝕控制主要是在使用中嚴(yán)格貫徹執(zhí)行初期檢查維修大綱。按該大綱要求及時(shí)檢查腐蝕狀態(tài)和加強(qiáng)維護(hù)修理。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)飛機(jī)使用一段時(shí)間后，還應(yīng)修改初期檢查維修大綱，使疲勞損傷控制、腐蝕損傷控制和意外損傷控制一直進(jìn)行到飛機(jī)退役為止。

以上從四個(gè)方面進(jìn)行了飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)基本方法頂層設(shè)計(jì)，它本身還不是一套完整的抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)方法，但以此為框架，通過(guò)細(xì)化擴(kuò)展并解決其中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，就能形成一套完整的飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗腐蝕疲勞設(shè)計(jì)方法。