СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ КОРРОЗИОННОГО ПОРАЖЕНИЯ СИЛОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к области принятия решений о продлении срока службы летательных аппаратов после 25 лет эксплуатации. Способ заключается в прогнозировании степени коррозионного поражения с помощью метода нечеткого логического вывода на основе априорных данных о свойствах конструкционного материала конструкции, условиях эксплуатации летательного аппарата, режиме эксплуатации и сроке службы после последнего ремонта.

Подавляющее большинство силовых элементов конструкции планера транспортных самолетов выполнены из алюминиевого сплава Д16. Дюралюминий Д16Т в виде прессованных профилей применяется для стрингеров фюзеляжа, крыла и оперения, Д16АТ - для шпангоутов, стенок лонжеронов, нервюр и других деталей, изготавливаемых из листа холодной штамповкой. Дюралюминий марок Д16АТВ, Д16АТВУП Д16АТУП применяется для обшивки фюзеляжа, крыла и оперения.

В соответствии с исследованиями ведущих специалистов в области коррозии алюминиевых сплавов [1-3, 7] наиболее значимыми факторами окружающей среды, вызывающими коррозию алюминиевого сплава Д16, применяющегося в большинстве систем самолетов транспортной авиации, являются: 1) содержание хлорид-ионов в атмосфере; 2) содержание SO₂ в атмосфере; 3) среднегодовая температура окружающего воздуха; 4) среднегодовая относительная влажность окружающего воздуха. Исходя из этих положений, концептуальную модель механизма коррозионного поражения можно представить в виде рисунка 1.

Анализ рисунка 1 показывает, что на вход модели подаются четыре лингвистические переменные, которые могут принимать значения фраз из естественного или искусственного языка. Для каждой нечеткой переменной задается функция принадлежности. Функция принадлежности ставит в соответствие каждому режиму x∈X число из интервала [0, 1]. Для обоснования конкретного вида функций принадлежности, описывающих входные лингвистические переменные, рассмотрим содержание хлорид-ионов в атмосфере аэродромов базирования самолетов (таблица 1). Во многих практических ситуациях функция принадлежности оценивается значениями, принимаемыми ею на конечном множестве опорных точек x₁, …, x_N, или на основании априорной информации, в которую входят ограничения на эти функции [4, 6].

Исходя из данных таблицы 1 за нижнюю границу функции принадлежности, характеризующей содержание хлорид-ионов в атмосфере аэродрома базирования, принимаем значение, равное 0,3 мг/(м²·сут), что соответствует чистой сельской атмосфере, а за верхнюю границу принимаем значение, равное 45 мг/(м²·сут), что соответствует жесткой атмосфере морских тропиков. Функции принадлежности для лингвистической переменной «содержание хлорид-ионов в атмосфере» представлены в следующем виде:

Основываясь на приведенных выше данных и априорной информации о параметрах окружающей среды в точках базирования самолетов транспортной авиации, зададим входные лингвистические переменные в виде 5-ти термов: одного z-образного, трех колоколообразных и одного s-образного (рисунок 2).

На рисунке 2 изображено: а - содержание хлорид-ионов в атмосфере; б - содержание сернистого газа в атмосфере; в - среднегодовая температура воздуха; г - относительная среднегодовая влажность воздуха.

Повышенное количество сернистого газа наблюдается вблизи больших промышленных центров и мегаполисов. Сернистый газ является активатором коррозии алюминиевых сплавов, но не таким сильным, как хлорид-ионы [1]. В зависимости от типа атмосферы по ГОСТ 15150-69 за нижнюю границу содержания сернистого газа принимаем 5 мг/(м²·сут), что соответствует чистой сельской атмосфере, а за верхнюю границу принимаем 150 мг/(м²·сут), что соответствует жесткой атмосфере центров тяжелой промышленности и мегаполисов.

Температура воздуха влияет на процесс развития общей коррозии алюминиевых сплавов [1-3], поэтому в различных климатических зонах коррозионное поражение развивается с различной скоростью. Для входной переменной «Температура воздуха среднегодовая» за нижнюю границу принимаем -10°С, что соответствует субарктическому климату, а за верхнюю границу принимаем 25°С, что соответствует экваториальному климату. Для входной переменной «Относительная влажность воздуха среднегодовая» за нижнюю границу принимаем 65%, что соответствует сухой атмосфере вдали от водоемов, а за верхнюю границу принимаем 100%, что соответствует очень влажной атмосфере в открытом море. При повышенной относительной влажности воздуха за счет адсорбции влаги солями на поверхности силовых конструкций планера возникает пленка электролита, в которой развивается электрохимический коррозионный процесс, вызывающий общую (поверхностную), язвенную, сквозную и расслаивающую коррозию. Следовательно, результат нечеткого моделирования можно представить в виде четырех выходных переменных: 1) площадь поверхностной коррозии в мм² за год; 2) глубина проникновения язвенной коррозии в мм за год; 3) количество очагов сквозной коррозии за год; 4) глубина проникновения расслаивающей коррозии в мм за год.

Основываясь на статистических данных технического освидетельствования самолетов транспортной авиации, предположении о неучтенных очагах коррозии, возможных жестких климатических факторах и предложенной в математической модели коррозионных потерь [2], возьмем за критический уровень площади поверхностной коррозии 5000 мм² за год. Возникновение локальной коррозии в алюминиевых сплавах обусловлено, прежде всего, их нечистотой, а именно небольшим количеством примеси Fe к Si.

Согласно экспериментальным данным за 3 месяца глубина язвенной коррозии достигает ~0,54 мм [1]. Исходя из этого, примем максимальное развитие глубины язвенной коррозии за год в реальных условиях с повышенным содержанием хлоридов в атмосфере за 3 мм в год. Питтинги, а затем и язвы образуются в основном на тонкостенных элементах конструкции самолета с поврежденным лакокрасочным покрытием. Размеры участков с нарушенным лакокрасочным покрытием являются чаще всего участками, покрытыми налетом поверхностной коррозии, и при наиболее жестких климатических условиях могут составить ~0,5 дм² в год. На 1 дм² за 3 месяца испытаний в 0,01%-ном растворе NaCl образуется до 4 очагов язвенной коррозии, глубиной до 0,54 мм, что составит 16 очагов язвенной коррозии, глубиной 1,16 мм на 1 дм² за год. Тонкостенные элементы конструкции планера самолета имеют толщину от 1 до 2,5 мм. Согласно опыту освидетельствования примем за максимальное количество 10 очагов сквозной коррозии за год. Согласно исследованиям [2] в наиболее жестких климатических условиях скорость проникновения расслаивающей коррозии может достигать 3 мм/год. Зададим выходные лингвистические переменные в виде 7-ми термов: одного z-образного, пяти колоколообразных и одного s-образного (рисунок 3).

На рисунке 3 изображено: а - площадь поверхностной коррозии мм² в год; б - глубина проникновения язвенной коррозии, мм в год; в - количество очагов сквозной коррозии в год; г - глубина проникновения в металл расслаивающей коррозии, мм в год.

Лингвистические правила для связи выходных переменных с входными переменными зададим в соответствии с имеющейся априорной информацией [1-3]. На рисунке 4 показаны зависимости глубины проникновения расслаивающей коррозии в год от содержания хлорид-ионов в атмосфере, содержания сернистого газа в атмосфере, среднегодовой температуры воздуха и среднегодовой относительной влажности воздуха.

Анализ рисунка 4 показывает, что изменение такой характеристики как «Содержание хлорид-ионов в атмосфере» в диапазоне значений от 0,3 до 45 мг/(м²·сут) при изменении среднегодовой относительной влажности воздуха от 65 до 100% при фиксированных средних значениях содержания сернистого газа в атмосфере (30 мг/(м²·сут)) и среднегодовой температуры воздуха (5°С) приводит к изменению глубины проникновения расслаивающей коррозии в год от 0,2 до 2,5 мм/год. Изменение характеристики «Содержание сернистого газа в атмосфере» в диапазоне значений от 5 до 140 мг/(м²·сут) при изменении среднегодовой относительной влажности воздуха от 65 до 100% при фиксированных средних значениях содержания хлорид-ионов в атмосфере (10 мг/(м²·сут)) и среднегодовой температуры воздуха (5°С) приводит к изменению глубины проникновения расслаивающей коррозии в год от 0,5 до 1,5 мм/год. Изменение характеристики «Среднегодовая температура воздуха» в диапазоне значений от -10 до 25°С при изменении среднегодовой относительной влажности воздуха от 65 до 100% при фиксированных средних значениях содержания сернистого газа в атмосфере (30 мг/(м²·сут)) и содержания хлорид-ионов в атмосфере (10 мг/(м²·сут)) приводит к изменению глубины проникновения расслаивающей коррозии в год от 0,2 до 1,5 мм/год.

Изменение характеристики «Среднегодовая относительная влажность воздуха» в диапазоне значений от 65 до 100% при изменении среднегодовой температуры воздуха от от -10 до 25°С при фиксированных средних значениях содержания сернистого газа в атмосфере (30 мг/(м²·сут)) и содержания хлорид-ионов в атмосфере (10 мг/(м²·сут)) приводит к изменению глубины проникновения расслаивающей коррозии в год от 0,2 до 1,5 мм/год. Наибольшее влияние на коррозионное поражение силовых конструкций самолета оказывает содержание Cl-ионов в атмосфере, а остальные параметры окружающей среды влияют менее значимо.

Проведем оценку адекватности модели с помощью критерия Колмогорова-Смирнова. В таблице 2 представлены усредненные площади поверхностной коррозии, выявляемые на элементах и агрегатах систем самолетов транспортной авиации, имеющих различный срок службы. Поскольку данные были взяты из актов оценки технического состояния самолетов, то они являются случайными реализациями для каждой точки базирования самолетов. Учитывая это, все исходные данные были сгруппированы по точкам базирования самолетов транспортной авиации и для каждой точки были рассчитаны средние площади поверхностной коррозии. Альтернативная выборка площадей коррозии была получена путем моделирования на нечеткой модели механизма коррозионного поражения силовых конструкций самолета.

Проверим гипотезу, что расчетные данные модели согласуются с данными актов технического освидетельствования самолетов транспортной авиации с уровнем значимости α=0.05. Из таблицы результатов (таблица 2) следует: D=0,0124; . Из статистических таблиц получим λ_α=1.2737. Поскольку λ≤λ_α, то принимается гипотеза Н₀, то есть можно считать, что статистические и смоделированные данные согласованы. Таким образом, результаты оценки адекватности модели механизма коррозионного поражения силовых конструкций самолета с реально протекающим процессом коррозионного поражения самолетов транспортной авиации показали ее пригодность для оценки коэффициента коррозионного поражения силовых конструкций летательных аппаратов.

Коэффициент коррозионного поражения силовых конструкций самолета транспортной авиации представляет собой риск возникновения и развития опасного коррозионного поражения силовых элементов конструкции планера, которое зачастую приводит к их разрушению или нарушению работоспособности функциональных систем самолета.

На рисунке 5 представлена схема расчета коэффициента коррозионного поражения силовых конструкций планера на основе разработанной нечеткой модели коррозионного поражения силовых конструкций самолета транспортной авиации.

В зависимости от степени воздействия факторов среды с использованием разработанной нечеткой модели механизма коррозионного поражения силовых конструкций планера оценим различные виды коррозионных поражений, которые могут быть выявлены на самолетах транспортной авиации. Диапазон оценочной шкалы выберем от 0 до 1. В качестве оценочных правил выберем следующие лингвистические конструкции: 0 - отсутствие коррозии на силовых конструкциях самолета через год его эксплуатации; 0,1 - единичные коррозионные поражения конструкции самолета через год его эксплуатации; 0,2 - единичные коррозионные поражения, сгруппированные в коррозионную зону поражения конструкции самолета через год его эксплуатации; 0,3 - единичные коррозионные зоны поражения, сгруппированные в локальную коррозионную зону на элементе конструкции самолета через год его эксплуатации; 0,4 - единичные локальные коррозионные зоны поражения элемента конструкции, локализованные на нескольких элементах конструкции самолета через год его эксплуатации; 0,5 - единичные локальные зоны расслаивающей коррозии элемента конструкции, локализованные на элементе конструкции самолета через год его эксплуатации; 0,6 - единичные локальные зоны расслаивающей коррозии элемента конструкции, локализованные на нескольких элементах конструкции самолета через год его эксплуатации; 0,7 - обширные зоны расслаивающей коррозии элемента конструкции, локализованные на нескольких элементах конструкции самолета через год его эксплуатации; 0,8 - обширные зоны расслаивающей коррозии элемента конструкции, локализованные на нескольких элементах конструкции самолета через год его эксплуатации в совокупности с наличием на элементах сквозной коррозии; 0,9…1 - обширные зоны расслаивающей коррозии элемента конструкции, локализованные на нескольких элементах конструкции самолета через год его эксплуатации в совокупности с наличием на элементах обширных зон сквозной коррозии.

Проведем с помощью данной модели и обозначенных лингвистических правил расчет коэффициентов коррозионного поражения для парка самолетов транспортной авиации (таблица 3).

Таким образом, с помощью модели коррозионного поражения ЛА транспортной авиации можно прогнозировать риск возникновения и развития опасного коррозионного поражения силовых элементов конструкции ЛА в зависимости от таких условий эксплуатации ЛА, как климатические условия, срок службы и налет ЛА.