20世紀70年代以來，隨著腐蝕環境對飛機結構使用壽命的影響越來越嚴重，飛機結構腐蝕疲勞問題到了不得不解決的地步。這樣，美國自20世紀70年代中期以后的軍用規范和標準以及我國自80年代末期以后的國軍標，都明確規定了飛機結構抗腐蝕疲勞設計要求，但從目前國內外飛機結構的設計實踐來看，并沒有完全按照這些設計要求去進行飛機結構抗腐蝕疲勞設計和驗證。換句話說，人們并不完全清楚設計實踐應該如何去滿足這些設計要求，這就使得設計實踐落后于設計要求的規定，這種設計要求和設計實踐的不一致性在國內的飛機結構設計中顯得尤為突出。

之所以會出現設計要求和設計實踐的不一致性，一個重要原因是至今還未形成一套完整而成熟的飛機結構抗腐蝕疲勞設計方法。本篇在闡述飛機結構抗腐蝕疲勞設計基本原則的基礎上，引出飛機結構抗腐蝕疲勞基本方法框架，以此作為飛機結構抗腐蝕疲勞設計的基礎。

一、飛機結構抗腐蝕疲勞設計內涵

飛機結構抗腐蝕疲勞設計，是一種基于腐蝕疲勞失效模式的結構設計思想和設計理念，但它不是單一的結構設計原理和結構設計準則，而是由至少一種與飛機使用壽命有關的結構設計準則所組成的結構設計思想。飛機結構抗腐蝕疲勞設計思想的核心可以是安全壽命設計準則，也可以是耐久性設計準則，還可以是損傷容限設計準則，或者是這其中任意兩種甚至三種的組合，即安全壽命準則加損傷容限準則或耐久性準則加損傷容限準則，甚至是安全壽命準則、耐久性準則加損傷容限設計準則，這要根據飛機結構不同部件和關鍵件選擇何種設計準則而定。

由上述分析可以看出，這里所說的飛機結構抗腐蝕疲勞設計中的“疲勞設計”已不是傳統的疲勞強度設計概念，它至少具有以下三個含義。

（1）飛機結構抗腐蝕疲勞設計的思想基礎是腐蝕疲勞失效模式，其設計要求是使所設計的飛機結構能夠經受住腐蝕疲勞損傷。

（2）飛機結構抗腐蝕疲勞設計的設計目標是在飛機使用壽命期內發生飛機結構腐蝕疲勞破壞的概率減至最少。

（3）飛機結構抗腐蝕疲勞設計的設計準則可以是安全壽命設計準則、耐久性設計準則和損傷容限設計準則中的一種、兩種甚至三種。

表1安全壽命設計、耐久性設計和損傷容限設計的比較

正因為飛機結構抗腐蝕疲勞設計的設計準則是安全壽命準則、耐久性準則和損傷容限準則，因此，在下面所要敘述的飛機結構抗腐蝕疲勞設計方法中所提到腐蝕疲勞分析和腐蝕疲勞試驗中的“疲勞”只是一個代名詞。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、耐久性試驗和損傷容限試驗，但所有這些分析和大部分試驗（全尺寸機體結構實驗室疲勞/耐久性/損傷容限試驗除外）都是在腐蝕環境下進行的。同樣，按飛機結構抗腐疲勞設計所給出的使用壽命可以是飛機設計使用壽命所規定的任何一種壽命（飛行小時、飛行次數、日歷壽命等），但所有這些壽命都是在載荷/環境譜條件下給出的。

二、飛機結構抗腐蝕疲勞設計基本原則

在當前飛機結構設計實踐和抗腐蝕疲勞設計要求存在不一致性的情況下，特提出現階段我國飛機結構抗腐蝕疲勞設計的如下5項基本原則。

（1）以常規疲勞為主的原則；（2）腐蝕環境宜粗不宜細的原則；（3）典型結構件代替全尺寸機體結構試驗的原則；（4）分析和試驗相結合以分析為主的原則；（5）突出腐蝕防護的原則。

為便于理解和記憶，現以順口溜的形式給出這些基本原則：“常規疲勞作主演，腐蝕疲勞配角戲；重復載荷要準確，環境宜粗不宜細；典型構件代機體，局部試驗和分析；腐蝕防護最重要，防微杜漸勤修理。”

1）以常規疲勞為主的原則

這里說的常規疲勞是指不考慮腐蝕環境的疲勞，也就是通常所說的空氣中的疲勞。從學科領域劃分來看，腐蝕疲勞既是一種腐蝕，又是一種疲勞。從飛機結構設計角度來說，力學作用比腐蝕作用更重要，因此，應首先把腐蝕疲勞看成是一種疲勞，從力學上考慮問題，然后再輔之于考慮腐蝕介質影響問題。于是在飛機結構設計中處理常規疲勞和腐蝕疲勞問題這一對矛盾時，應把常規疲勞作為矛盾的主要方面，首先解決常規疲勞問題，在此基礎上再考慮腐蝕環境影響的修正。常規疲勞設計已有成熟的設計方法和豐富的經驗，按這個思路處理問題既省時省錢，又能解決工程實際問題。

2）腐蝕環境宜粗不宜細的原則

飛機在實際使用中遭受的腐蝕環境多達十幾種以上，從環境性質來看，它們可分為化學環境和氣候環境，從環境來源看，它們可分為外部自然環境和內部工作環境，而且這些環境參數往往是多元隨機變量，不可能也沒有必要把它們完全精確地描述出來，因此，描述這些環境宜粗不宜細。這里包括兩層意思：第一，對特定飛機可考慮并確定飛機可能經受的少數幾種主要環境，而把一些次要的環境因素忽略掉；第二，在編制環境譜時要采取各種簡化手段，使其能大致反映飛機真實使用環境即可。

3）典型構件代替全尺寸機體結構試驗的原則

在目前條件下，無論從技術水平、試驗手段或從經費上，對飛機整機或全尺寸部件進行腐蝕疲勞試驗是不現實的。一個可行的解決辦法是選擇一些既受嚴重疲勞載荷又受嚴重腐蝕環境影響的飛機結構關鍵部位，進行典型構件的腐蝕疲勞試驗和分析，以用于對實驗室全尺寸飛機機體或部件疲勞試驗結果進行修正，這就是用典型構件代替全尺寸機體結構的含義。

4）分析和試驗相結合以分析為主的原則

在飛機結構常規的抗疲勞設計時，也是采取分析和試驗結合的原則，但在那種結合中最后“說了算”的不是分析而是試驗結果，而且主要是全尺寸飛機機體結構疲勞試驗結果。在飛機抗腐蝕疲勞設計時也要堅持分析和試驗相結合的原則，與此同時還應加上以上分析為主的原則。第一，已經有實驗室全尺寸機體結構疲勞試驗作為主要依據，典型構件的腐蝕疲勞試驗和分析主要用于對其進行修正；第二，材料或標準試件腐蝕疲勞試驗用于對典型構件腐蝕分析提供材料性能數據，典型構件腐蝕疲勞試驗用于驗證腐蝕疲勞分析結果，這兩種試驗都是圍繞分析進行的；第三，腐蝕疲勞試驗的分散性比常規疲勞試驗的分散性更大，難以用它直接作為修正的主要依據。

5）突出腐蝕防護的原則

飛機結構抗腐疲勞設計要把腐蝕防護作為重點，要把它放在優先的位置來考慮，這是因為設計目的是為了使所設計的所有飛機結構能夠在規定的使用期（使用壽命或檢修期）內不致因腐蝕或其他損傷而導致關鍵部位開裂，從而降低功能和危及安全。為達此目的，主要應通過腐蝕防護來實現。突出腐蝕防護包括以下內容。

（1）除采取傳統的腐蝕防護措施外（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措施。

（2）不僅要在設計階段采取腐蝕防護措施，而且在制造和使用過程中也要采取腐蝕防護措施。

（3）所采取的一些主要腐蝕防護措施要通過分析和試驗來驗證其有效性。

三、飛機結構抗腐蝕疲勞設計基本方法框架

為了使所設計的飛機盡可能滿足飛機結構抗腐蝕疲勞設計要求，根據上述的設計基本原則，提出目前階段飛機結構抗腐蝕疲勞設計基本方法框架，如圖1所示。從圖1可知，飛機結構抗腐蝕疲勞設計有許多環節，但首先應抓住這樣四個基本環節：載荷/環境譜編制、典型構件腐蝕疲勞分析、腐蝕疲勞試驗和腐蝕防護。這幾個環節既相對獨立又相互依賴，下面分別簡述之。

圖1飛機結構抗腐蝕疲勞設計基本方法框架

1）編制飛機載荷/環境譜載荷/環境譜

既是典型構件腐蝕疲勞分析和試驗的直接依據，又可為腐蝕防護提供設計資料，因此，編制載荷/環境譜是飛機結構抗腐蝕疲勞設計的首要環節。它包括編制飛機載荷譜、使用環境譜、當量環境譜和試驗載荷—環境譜。

2）典型構件腐蝕疲勞分析

這里所說的典型構件腐蝕疲勞分析主要是指譜載下典型構件腐蝕疲勞裂紋形成分析和裂紋擴展分析。典型構件腐蝕疲勞分析方法，主要是在常規疲勞分析法基礎上加以腐蝕環境下的修正，譜載下典型構件腐蝕疲勞裂紋形成分析方法可分為名義應力法和局部應變法，腐蝕疲勞裂紋擴展分析方法是目前主要的確定性斷裂力學分析方法。

3）腐蝕疲勞試驗

現階段用于飛機結構設計中的腐蝕疲勞試驗從試件來分，可分為標準試件和典型構件的腐蝕疲勞試驗；從受載類型可分為常幅和譜載下的腐蝕疲勞試驗；從破壞類型可分為腐蝕疲勞裂紋形成和裂紋擴展試驗。這些腐蝕疲勞試驗主要是為腐蝕疲勞分析服務的。

標準試件腐蝕疲勞試驗主要用于研究不同材料在腐蝕環境中的疲勞/斷裂特性，研究各種力學因素，如應力比、加載波形、加載頻率等的影響，為飛機合理選材提供依據，為典型構件腐蝕疲勞分析提供數據。飛機典型構件腐蝕疲勞試驗主要用于驗證典型構件腐蝕疲勞分析結果，并且根據綜合分析結果來修正全尺寸飛機機體結構實驗室條件下的疲勞試驗結果。

4）腐蝕防護

腐蝕防護是指為保護飛機材料和結構免受腐蝕/腐蝕疲勞損傷而采取的腐蝕控制措施。這里的腐蝕防護已經超出了傳統的腐蝕防護概念，即不僅要從“純”腐蝕角度進行腐蝕防護，而且要從腐蝕疲勞、從使用壽命角度進行腐蝕防護。因此，它應貫穿飛機結構設計、研制、定型、生產和使用的全壽命周期中，具體包括設計階段、制造過程和使用過程的腐蝕控制。

設計階段應根據飛機結構腐蝕疲勞設計準則、飛機預計的使用方法和腐蝕環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，選擇合適的防護涂（鍍）層，選擇合適的電化學保護，選擇合適的結構連接形式和合理的表面形狀，避免腐蝕介質的積存，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。在設計定型階段的后期，應根據設計使用壽命、設計使用載荷/環境譜、全尺寸疲勞試驗及評估結果和結構關鍵件清單制定飛機結構初期檢查維修大綱，以便飛機在達到甚至超過設計使用壽命期仍能保證結構完整性。

制造過程的腐蝕控制包括兩方面內容：第一，嚴格按設計階段所確定的腐蝕防護工藝流程進行生產制造，如所有表面應保證設計規定的表面粗糙度、嚴格執行熱處理規范、對氫脆敏感材料不要在含氫環境下進行焊接、裝配時控制裝配應力避免產生過大殘余應力等。第二，要保持生產制造現場防腐防塵，如廠房保持干燥、避免污染源、避免工序間的腐蝕、清洗液和切削液無侵蝕作用等。

使用過程的腐蝕控制主要是在使用中嚴格貫徹執行初期檢查維修大綱。按該大綱要求及時檢查腐蝕狀態和加強維護修理。在此基礎上，當飛機使用一段時間后，還應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行到飛機退役為止。

以上從四個方面進行了飛機結構抗腐蝕疲勞設計基本方法頂層設計，它本身還不是一套完整的抗腐蝕疲勞設計方法，但以此為框架，通過細化擴展并解決其中的一些關鍵技術問題，就能形成一套完整的飛機結構抗腐蝕疲勞設計方法。