一种外力作用下海工装备腐蚀缺陷动态生长的双向耦合仿真方法

本发明属于海洋工程装备腐蚀仿真，涉及一种外力作用下腐蚀缺陷动态生长的双向耦合仿真方法。

背景技术：

1、腐蚀是自然界中所有物质都需要面临的消损破坏现象，对工业生产和国民经济造成了极大的负面影响，据2014年“我国腐蚀状况及控制战略研究”发布，我国腐蚀总成本约占gdp的3.34％，超过2.1万亿人民币。由于海洋环境的多样性、复杂性和可变性，海工装备如船舶、海洋平台和其他海洋设施遭受着严重的腐蚀，成为制约海洋工业发展的重要因素。

2、基于轻量化和高强比的需求，现如今海工用金属材料除了传统钢材外，铝合金、钛合金及铜合金等金属的使用量逐渐增大，由不同金属接触引起的电偶腐蚀问题也日渐凸显。除此之外，海工装备在服役时所处环境不同，面临的电偶腐蚀影响因素也十分复杂，比如外部荷载、温度及静水压力等。特别是装备在海洋环境服役期间受到外部载荷作用，会在腐蚀缺陷处产生应力集中，应力通过影响电偶腐蚀的阴阳极反应加速材料的腐蚀。同时，腐蚀缺陷的生长会造成应力的重新分布，当应力超过材料的屈服应力时在缺陷处会产生微裂纹，裂纹的发展和延伸造成引发力学失效。腐蚀缺陷和力学失效的双重作用严重影响海工装备使用安全性和服役寿命。

3、目前，针对材料力学-电化学的相关研究很多，通常是通过慢应力拉伸配合电化学测试来评价外力对腐蚀的影响，这种传统的实验测试不仅对材料尺寸要求精确，而且测试平台搭建困难，无法进行多次重复实验。另外，腐蚀缺陷对力学分布的影响规律很难通过实验完成。因此，通过使用有限元法对固体力学、电化学及变形几何多物理场进行耦合，实现对结构件在外力作用下腐蚀损伤演变的动态预测。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种力学-电化学双向耦合的计算方法，精准预测外力作用下腐蚀损伤动态演变的仿真技术。能够预测外力作用下电偶腐蚀的腐蚀敏感位置，分析不同时间尺度下腐蚀缺陷的生长情况，评估腐蚀缺陷处的应力集中系数及力学损伤情况。为海工装备失效风险检测提供理论及技术支持，优化海工装备材料及结构设计。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、步骤1，通过电化学工作站测试金属材料的开路电位和极化曲线，获取模拟仿真所需的基础电化学数据；

4、步骤2，通过拉伸试验机对金属材料进行拉伸测试，获取材料的力学基础数据。

5、步骤3，构建异种金属接触时腐蚀缺陷产生和发展的电偶腐蚀模型。

6、利用二次电流分布场描述电化学腐蚀的传质过程，通过变形几何物理场结合瞬态计算描述电偶腐蚀的阳极溶解过程。

7、步骤4，构建外部荷载作用下，涂层缺陷处的应力分布。建立公式实现应力对电化学腐蚀的促进或抑制作用，计算外力作用下不同时间尺度腐蚀行为的变化。

8、利用固体力学物理场计算结构件整体及缺陷处的von mises应力，通过gutman理论计算von mises应力对电化学反应阴阳极平衡电位和交换电流密度的影响。

9、步骤5，结合氧化膜厚度计算力学损伤随时间的变化规律。并根据步骤四所计算的腐蚀缺陷形状对应力分布情况进行仿真分析，结合应力集中系数评价应力损伤的严重程度。

10、步骤6，实现外力作用下力学与电化学的双向耦合，导出计算结果。包括：结构件腐蚀电位、腐蚀电流密度分布，腐蚀缺陷的生长情况、应力分布情况及力学损伤的变化情况。

11、进一步的，所述步骤1的具体过程为：

12、(1)工作电极制备：利用激光线切割技术将金属材料切割成10×10×5mm的试块，使用酒精清洗表面，去除油污等杂质。使用焊枪将试样背部与铜导线相连，使用万用表测试焊接试样的导电性。在导电性良好的情况下，将与铜导线连接的样品放入橡胶模具中，使用双组分环氧树脂进行填充、固化24小时后取出。依次使用80#-200#-600#-1000#-1500#的砂纸打磨电极测试面，打磨好后放入丙酮溶液中超声清洗10分钟，超声清洗完后用吹风机吹干，放入密封袋中抽真空备用。

13、(2)开路电位与极化曲线测试：使用电化学工作站进行测试，测试系统为三电极体系，待测样品为工作电极，甘汞为标准电极，碳棒为对电极。开路电位的测试时间为30分钟，极化曲线测试范围为所测开路电位的基础上±250mv，扫描速率为0.333mv/s。

14、(3)腐蚀数据的获取：通过tafel拟合方法获取阴阳极反应的交换电流密度，使用nernst方程计算阴阳极反应的平衡电位。

15、进一步的，在仿真软件中建立插值函数，并将拉伸数据导入。

16、进一步的，所述步骤3的具体过程为：

17、(1)在二次电流分布电极表面的参数设置中，输入电化学参数，以此模拟电偶腐蚀动力学过程。

18、电偶腐蚀界面动态变化采用服从任意拉格朗日-欧拉方程的变形几何场进行计算，以此跟踪电偶腐蚀阳极溶解过程。

19、(2)仿真的电偶腐蚀动力学过程通过零阻电流计测试的电偶电流密度进行验证。

20、进一步的，步骤4的具体过程为：

21、(1)基于结构件的实际受力建立几何模型；

22、(2)为金属线弹性材料赋予进入塑性阶段后，随着应变的增加，其抗变形能力增强的硬化函数过程为：

23、σhard＝σexp(εeff)-σs0

24、其中σexp为实测应力与应变曲线的拟合函数，εeff为总有效应变，σs0为初始屈服强度。

25、(3)根据硬化函数公式构建变量公式，在塑性子节点进行调用中，确定结构件所受边界载荷和固定约束。

26、(4)结合阳极溶解变形公式，利用瞬态物理场计算时间尺度下力学对腐蚀场的影响变化。

27、进一步的，步骤5的具体过程为：

28、(1)基于步骤3建立的几何模型，结合阴极反应的扩散规律，通过数值计算得到了不同时间尺度的阳极氧化层的厚度。

29、(2)结合氧化层的厚度与平均面积应变的关系，对线弹性材料进行损伤建模，直观地预测腐蚀对结构裂纹出现和发展的影响规律。

30、(3)用理论应力集中系数kt表示应力集中的严重程度，实现腐蚀对力学场的影响变化。

31、和现有技术比，本发明具有以下有益效果：

32、以往的仿真技术仅考虑腐蚀的破坏作用，而在海工装备实际海洋服役过程中，由于外部环境的复杂多变，在材料表面通常会存在静载荷或者交变载荷的作用，单一电化学因素无法反应海工装备真实的服役状态。本发明(是)提供一种力学-电化学双向耦合的计算方法，精准预测外力作用下腐蚀损伤动态演变的仿真技术。能够预测外力作用下电偶腐蚀的腐蚀敏感位置，分析不同时间尺度下腐蚀缺陷的生长情况，评估腐蚀缺陷处的应力集中系数及力学损伤情况。为海工装备失效风险检测提供理论及技术支持，优化海工装备材料及结构设计。

技术特征：

1.一种外力作用下海工装备腐蚀缺陷动态生长的双向耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权力要求1所述的一种外力作用下海工装备腐蚀缺陷动态生长的双向耦合仿真方法，其特征是：

3.如权力要求2所述的一种外力作用下海工装备腐蚀缺陷动态生长的双向耦合仿真方法，其特征是：

4.如权力要求2所述的一种外力作用下海工装备腐蚀缺陷动态生长的双向耦合仿真方法，其特征是：

5.如权力要求1所述的一种外力作用下海工装备腐蚀缺陷动态生长的双向耦合仿真方法，其特征是：

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7.如权力要求1所述的种外力作用下海工装备腐蚀缺陷动态生长的双向耦合仿真方法，其特征是：

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技术总结
本发明公开了一种外力作用下海工装备腐蚀缺陷动态生长的双向耦合仿真方法。主要包括：通过电化学和拉伸实验获取仿真所需的基础数据。构建异种金属接触时腐蚀缺陷电偶腐蚀模型。建立公式实现应力对电化学腐蚀的影响研究，计算外力作用下不同时间尺度腐蚀行为的变化。结合氧化膜厚度计算力学损伤随时间的变化规律，根据腐蚀缺陷形状对应力分布情况进行仿真分析，结合应力集中系数评价应力损伤的严重程度。最后，实现外力作用下力学与电化学的双向耦合。本发明能够预测海洋工程装备表面腐蚀敏感位置，预测腐蚀缺陷的动态生长过程，评估腐蚀缺陷处的力学损伤情况，为海工装备失效风险预测提供理论支持，同时优化海工装备材料及结构设计。

技术研发人员：陈守刚,侯悦,王巍
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13