飛機(jī)結(jié)構(gòu)電偶腐蝕仿真研究進(jìn)展及應(yīng)用方法

陳躍良，黃海亮,2，張勇，樊偉杰，卞貴學(xué)，王安東

飛機(jī)結(jié)構(gòu)電偶腐蝕仿真研究進(jìn)展及應(yīng)用方法

陳躍良1，黃海亮1,2，張勇1，樊偉杰1，卞貴學(xué)1，王安東1

（1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041；2.91206部隊(duì)，山東 青島 266109）

首先概述了電偶腐蝕仿真技術(shù)的發(fā)展史，然后分別對(duì)大氣和浸泡兩種典型環(huán)境下的電偶腐蝕模型進(jìn)行了系統(tǒng)性闡述，從電解質(zhì)域內(nèi)控制方程和電極表面控制方程兩方面對(duì)飛機(jī)電偶腐蝕仿真原理進(jìn)行了歸納總結(jié)。最后基于目前電偶腐蝕仿真技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的應(yīng)用示例分析，對(duì)后期如何將數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)集成到飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕仿真上進(jìn)行了展望。

電偶腐蝕；仿真建模；仿真原理；飛機(jī)

無論是軍用飛機(jī)還是民用飛機(jī)，環(huán)境對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)的損傷問題不容忽視，它是飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性與耐久性的重要研究內(nèi)容。目前針對(duì)軍機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性考核主要采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加速試驗(yàn)和外場暴露兩種方法，評(píng)估效率低、成本高昂，且當(dāng)局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生改變后，環(huán)境考核試驗(yàn)也需要重新進(jìn)行。

近年來，得益于電化學(xué)理論的不斷完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷的認(rèn)知正由宏觀表象向微觀機(jī)理轉(zhuǎn)變，腐蝕模擬仿真技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。該技術(shù)以電化學(xué)原理為基礎(chǔ)，基于金屬材料在不同服役環(huán)境下的極化曲線為輸入條件，運(yùn)用有限元或邊界元方法預(yù)測(cè)機(jī)體結(jié)構(gòu)易發(fā)生腐蝕的部位，提高防腐蝕維護(hù)工作效率。還可直接指導(dǎo)新研飛機(jī)的腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)工作，達(dá)到縮短研制周期、降低費(fèi)用的目的，提升飛機(jī)防腐蝕設(shè)計(jì)和耐蝕性評(píng)價(jià)能力。

1 電偶腐蝕仿真模型研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，最早由Richard Alkire[1]提出的一種數(shù)學(xué)方法預(yù)測(cè)電沉積過程，是通過計(jì)算模擬電解槽內(nèi)的電流場分布及陰極的二維形貌變化。由于電沉積與電化學(xué)腐蝕在本質(zhì)上的電化學(xué)原理相同，隨后研究學(xué)者將數(shù)值計(jì)算方法引入電化學(xué)腐蝕過程的仿真模擬。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和電化學(xué)理論的不斷完善，基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的電偶腐蝕仿真模型建立及計(jì)算逐漸成為新興的研究熱點(diǎn)。依據(jù)環(huán)境的不同，腐蝕仿真模型可分為大氣環(huán)境仿真模型和浸泡環(huán)境仿真模型。

1.1 大氣環(huán)境下仿真模型

大氣環(huán)境下金屬腐蝕的本質(zhì)是在液膜下發(fā)生的電化學(xué)腐蝕，與浸泡環(huán)境下的電極反應(yīng)傳質(zhì)過程截然不同，對(duì)金屬的腐蝕行為產(chǎn)生較大影響。大氣電偶腐蝕模型的關(guān)鍵在于液膜幾何形態(tài)的設(shè)定，目前這類模型國內(nèi)外不少學(xué)者也展開了相應(yīng)的研究。Jong-Min Lee[2]對(duì)薄液膜下鋅/鐵界面的電偶腐蝕進(jìn)行了數(shù)值分析，通過計(jì)算缺陷中心和缺陷邊緣的后續(xù)電位差，提出了一種在需要詳細(xì)了解鐵/鋅動(dòng)力學(xué)的情況下整體預(yù)測(cè)缺陷保護(hù)的方法。Nobuhiro Okada[3]在此基礎(chǔ)上，將氧在電解液膜中的溶解速率和擴(kuò)散速率考慮進(jìn)去，建立了電偶腐蝕的數(shù)值分析模型，此外還考慮了氧的鹽析效應(yīng)、電導(dǎo)率的熱依賴性和氧原溶解度。Young P S[4]采用暴露試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和軟件建模三種試驗(yàn)方法相結(jié)合的方式模擬了大氣電偶腐蝕，最終確定了2024-T3緊固件周圍的損傷演化階段，進(jìn)而加深了對(duì)腐蝕模式和損傷演化的理解，以幫助減輕鋁緊固件的大氣電偶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。Jení?ek V[5]采用電解液薄膜條件下電偶腐蝕的數(shù)學(xué)模型對(duì)大氣腐蝕進(jìn)行了評(píng)價(jià)，采用失重實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法對(duì)模型的正確性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為20%左右。Zhang Y[6]用邊界元法計(jì)算了薄層電解液中搭接接頭（裸接頭和涂層損傷）的電位分布和電流密度，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的一致性較好。Chen Y[7]等針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)大氣腐蝕提出了一種有限元模型，并對(duì)模型的可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。隨后針對(duì)薄液膜下多電極耦合的電偶腐蝕，建立了基于薄殼電流分布的多電極耦合仿真模型[8]，并通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步提高了仿真模型對(duì)于預(yù)測(cè)多電極偶接的腐蝕分布的準(zhǔn)確性。國內(nèi)孫強(qiáng)[9]、張?zhí)┓錥10]、何禎[11]等也開展了大量關(guān)于大氣電偶腐蝕建模的研究。

1.2 浸泡環(huán)境下仿真模型

浸泡狀態(tài)下電偶腐蝕建模由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)易獲取，且試驗(yàn)結(jié)果可驗(yàn)證性強(qiáng)，因而得到了廣泛研究。Deshpande K B[12-13]構(gòu)建了一種預(yù)測(cè)電偶腐蝕速率的數(shù)值模型，該模型可以對(duì)腐蝕邊界進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。同時(shí)為了驗(yàn)證模型的可靠性，Deshpande K B采用掃描振蕩電極技術(shù)（SVET）對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。F. Thébault[14]建立了考慮氧在溶液中的質(zhì)量輸運(yùn)的雙金屬腐蝕電解液電位分布的有限元模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)的一致性較好。Palani S[15]對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料與AA2024鋁合金在體電解質(zhì)和稀電解質(zhì)條件下的電偶腐蝕分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。Cross S R[16]建立了一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的有限元模型來模擬鋅和鋁涂層在電解液中與鋼基體電耦合的腐蝕，將每種涂層的電偶腐蝕模擬與開路電位的實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及通過表面輪廓術(shù)測(cè)量的涂層幾何形狀變化進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，兩種涂層的模型預(yù)測(cè)與腐蝕試驗(yàn)之間具有很好的一致性。Radouani R[17]利用Comsol多物理軟件對(duì)接頭構(gòu)件的腐蝕參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了螺栓與搭接板接觸區(qū)的電偶腐蝕行為。Chen Y[18]等對(duì)于浸泡狀態(tài)下的電偶腐蝕進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。近年來國內(nèi)對(duì)于該類模型報(bào)道也相對(duì)較多[19-23]，涉及各種材料體系及汽車、航空等相關(guān)領(lǐng)域。

2 電偶腐蝕仿真原理研究現(xiàn)狀

2.1 電解質(zhì)域內(nèi)控制方程

目前針對(duì)電解質(zhì)域內(nèi)電位和粒子濃度的求解基本上都是基于物質(zhì)守恒的Nernst-Planck方程（式（1））進(jìn)行計(jì)算。物質(zhì)守恒是指在理想狀態(tài)下，均相反應(yīng)的總和為電解質(zhì)域內(nèi)的離子擴(kuò)散、對(duì)流、電遷移所產(chǎn)生的反應(yīng)。

式中：為法拉第常數(shù)；c為不同粒子濃度；為溶液流速矢量；D為擴(kuò)散系數(shù)；z為粒子所帶電荷數(shù)；m為電遷移系數(shù)；R為溶液中粒子由于均相反應(yīng)造成的凈通量。

通過式（1）可以看出，在假設(shè)電解質(zhì)域內(nèi)共有種粒子的情況下，就可以寫出個(gè)類似式（1）的偏微分方程，構(gòu)成方程組。在忽略溶液流動(dòng)的前提下，要確定該偏微分方程組具有唯一解，并求得電場和濃度場分布，則必須添加另一個(gè)限制條件——電中性假設(shè)，即電解質(zhì)域內(nèi)任意局部凈電荷為0，見式（2）。

為了增加模型的可操作性，在實(shí)際研究中，大多研究者將式（1）進(jìn)行了簡化，即假設(shè)模型周邊電解質(zhì)溶液為靜態(tài)稀溶液，且不存在濃度梯度，無對(duì)流效應(yīng)。電解質(zhì)溶液中，帶電粒子只通過電遷移形成電流，式（1）就可簡化為：

即電解質(zhì)電位l的Laplace方程，將其進(jìn)行求解，就可得到腐蝕電場中的電勢(shì)分布規(guī)律。

2.2 電極表面控制方程

腐蝕仿真模型中，電極表面控制方程中的邊界條件通過分析擬合電極表面腐蝕動(dòng)力學(xué)極化曲線的方式獲得。通過擬合得到的自腐蝕電位、自腐蝕電流密度等腐蝕動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)與試驗(yàn)值誤差較大，尤其針對(duì)部分具有鈍化機(jī)制的合金適用性差。文獻(xiàn)[7,18]引入了表征極化曲線的插值函數(shù)（式（4）），以函數(shù)形式建立電極電位與電流密度之間的關(guān)系，得到電化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，再應(yīng)用到相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型中。這種方法能夠更為全面、直接地描述電極表面進(jìn)行的電化學(xué)過程中的動(dòng)力學(xué)過程。

3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)電偶腐蝕仿真應(yīng)用

最早開展電偶腐蝕仿真技術(shù)應(yīng)用研究的是歐美部分發(fā)達(dá)國家。美國作為將腐蝕預(yù)測(cè)技術(shù)最早應(yīng)用到工程實(shí)際的代表國家之一，可查的公開案例是其國防部SBIR項(xiàng)目組對(duì)F18戰(zhàn)機(jī)機(jī)翼支托架和輪轂的腐蝕仿真。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，仿真計(jì)算得到的電偶腐蝕情況與實(shí)際服役后出現(xiàn)的腐蝕狀態(tài)較為一致。2006年，在歐盟第六框架計(jì)劃的支持下，歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)創(chuàng)新中心、空客、瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)和技術(shù)研究所等歐洲十家不同機(jī)構(gòu)以SICOM（Simulation based Corrosion Management）項(xiàng)目為框架進(jìn)行了大范圍合作。2013年，DeRose J A[24]基于該項(xiàng)目成果，出版了題為《Alu-m-in-ium alloy corrosion of aircraft structures: modelling and simulation（飛機(jī)結(jié)構(gòu)鋁合金腐蝕建模與仿真）》的專著[24]，系統(tǒng)介紹了腐蝕仿真在飛機(jī)結(jié)構(gòu)鋁合金腐蝕的建模方式與應(yīng)用，這也標(biāo)志著腐蝕仿真在歐洲航空領(lǐng)域已開始得到相關(guān)應(yīng)用[24]。

近年來，我國研究學(xué)者也開展了很多仿真應(yīng)用研究[24]。為了提高模型的可靠性，并盡可能減少試驗(yàn)驗(yàn)證成本，仿真模型的應(yīng)用及驗(yàn)證一般堅(jiān)持幾何構(gòu)造由簡單到復(fù)雜、偏微分方程組變量數(shù)由少到多的方式進(jìn)行[24]?；谶@一原則，飛機(jī)結(jié)構(gòu)電偶腐蝕仿真應(yīng)用可采用“試片→平板件→結(jié)構(gòu)件”的思路開展研究，具體應(yīng)用流程如圖1所示。該流程以試片為起始，通過前處理、偏微分方程求解、后處理三個(gè)過程，得到試片搭接件的仿真結(jié)果。將其與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，若二者存在偏差，則返回建模起始，查找問題重新計(jì)算。如果仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好，則開始平板件的仿真計(jì)算。若平板件的仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，則可將調(diào)試后的模型直接運(yùn)用到復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上，完成結(jié)構(gòu)件的腐蝕仿真預(yù)測(cè)。

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)電偶腐蝕仿真應(yīng)用流程

4 展望

經(jīng)歷了幾十年的努力，我國已經(jīng)在材料的腐蝕機(jī)理方面做了大量的研究工作，積累了許多相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但如何將這些數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)集成到飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕仿真上，還需開展部分相關(guān)的研究工作，可從以下幾個(gè)方面著手。

1）規(guī)劃飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕仿真總體方案，健全管理體制，出臺(tái)對(duì)應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)文件，規(guī)范腐蝕仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取方式，建立規(guī)范數(shù)據(jù)庫，并開展長期的數(shù)據(jù)庫補(bǔ)充、修正以及共享工作。

2）規(guī)范環(huán)境數(shù)據(jù)的采集方式，積累各型飛機(jī)使用材料在不同服役環(huán)境下的自然環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)，為腐蝕仿真結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性提供對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

3）發(fā)展不同因素對(duì)材料耐蝕性影響的試驗(yàn)手段，探究其影響規(guī)律，基于此開展多場耦合條件下的腐蝕仿真方法研究。

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CHEN Yue-liang1, HUANG Hai-liang1,2, ZHANG Yong1, FAN Wei-jie1, BIAN Gui-xue1, WANG An-dong1

(1. Qingdao Campus of Naval Aviation University, Qingdao 266041, China; 2. Unit 91206, Qingdao 266109, China)

Firstly, the development history of galvanic corrosion simulation technology was summarized, and then the galvanic corrosion models in two typical environments, include atmospheric and immersed, were described specially. The galvanic corrosion simulation principle of aircraft was concluded from the governing equations in the electrolyte domain and the electrode surface. Finally, based on the analysis of current application examples of galvanic corrosion simulation technology in the field of aircraft structure, the outlook of how to integrate data and experience into the simulation of aircraft structure corrosion was prospected.

galvanic corrosion; simulation modeling; simulation principle; aircraft

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.007

2020-03-02；

2019-04-03

TG172.2；V252

A

1672-9242(2020)05-0047-05

2020-03-02；

2019-04-03

山東省高等學(xué)?！扒鄤?chuàng)科技計(jì)劃”資助項(xiàng)目（2020KJA014）

“Green Innovation Science and Technology Plan” of Colleges and Universities in Shandong Province (2020KJA014)

陳躍良（1962—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、腐蝕與防護(hù)等。

CHEN Yue-liang (1962—), Male, Doctor, Professor, Research focus: aircraft structural strength, corrosion and protection.