CN113283137A - 一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法，该方法以及进行以下步骤，包括通过选定研究对象、涂层体系及样品腐蚀行为计算、腐蚀形貌输出、腐蚀后力学性能计算、数据比对、结果输出与修正以及选定涂层体系下典型结构件腐蚀效应控制仿真。该方法充分利用现有数据库中的大量的涂层体系下样品环境适应性试验数据，进行结构件的腐蚀效应控制仿真，有效避免腐蚀效应控制仿真前必须试验进行有机涂层体系孔径随时间变化、低频阻抗值随时间变化等数据的测试，从而提高了工作效率、避免造成计算结果误差，进而有效提高控制仿真结果的准确性以及精确性，提高仿真计算结果的可信度。
Description
技术领域
本发明涉及控制仿真技术领域，具体涉及一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法。
背景技术
腐蚀仿真技术可以超越极端环境、时间(空间)条件和技术参数的限制，从而拓展物理试验能力、显著提高试验与评价的时效性和经济性，有效弥补传统环境试验技术对装备结构件大气环境腐蚀损伤行为快速评估的不足，为装备环境适应性论证、设计、研制与试验考核以及腐蚀防护控制、使用和维护提供有力的技术支撑。
但是，目前现有技术对大气环境下结构件有机防护涂层体系下的环境效应控制效果仿真研究及应用仍存在较大的困难以及若干问题，现有技术腐蚀仿真通常采用薄液膜法原理进行模拟结构件的腐蚀电位变化、腐蚀速率等；例如现有的腐蚀仿真软件CorrosionMaster，其在处理有机防护涂层体系仿真输入时，需输入有机防护涂层体系在腐蚀环境中孔径随时间变化、低频阻抗值随时间变化等数据。然而，有机防护涂层体系下结构件腐蚀损伤是一个长时过程，持续五年甚至十年，一方面有机防护涂层体系在腐蚀环境中孔径随时间变化、低频阻抗值随时间变化等数据利用现有的测试方法以及工具极难测量；另一方面低频阻抗值随时间变化试验测得的数据误差超过几何倍数，容易造成现有仿真方法不能有效预测结构件防护措施的防护程度，工程化应用程度低。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法，避免在开展腐蚀效应控制仿真前必须利用试验或工具测得有机涂层体系孔径随时间变化、低频阻抗值随时间变化等数据，从而减少有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真的计算误差，促进基于有机防护涂层的结构件腐蚀效应控制设计以及提高腐蚀效应控制仿真的工程化应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法，其特征在于：
包括：
S100、选定研究对象：根据行业数据库中大量涂层及结构件环境适应性试验，选取研究的涂层体系及试验样品；同时获取试验样品暴露腐蚀后的力学性能数据；
S200、涂层体系及样品腐蚀行为计算：引入并利用涂层破损系数等效涂层随时间变化的阻抗数据，然后在腐蚀仿真软件Corrosion Master中对选定的涂层体系及试验样品进行大气腐蚀行为计算；
S300、腐蚀形貌输出：根据步骤S200中的腐蚀计算结果，直接输出给定时间节点的腐蚀后形貌结构；
S400、腐蚀后力学性能计算：通过通用有限元软件对步骤S300导出的腐蚀后形貌进行力学行为计算，计算得到腐蚀后的试验样品或涂层的力学性能数据；
S500、数据比对：将步骤S100中获取的行业数据库中试验样品暴露腐蚀后的力学性能数据与步骤S400中计算得到腐蚀后的试验样品或涂层的力学性能数据进行比对；
S600、结果输出与修正：若上述比对结果不一致，则修正步骤S200中涂层破损系数中的参数并重新输出步骤S200；然后重复步骤S200～S500，直至步骤S400中的仿真结构与步骤S100中的试验结果一致；
S700、选定涂层体系下典型结构件腐蚀效应控制仿真：
S701、采用三维模型软件建立步骤S100中选定的涂层体系下的典型结构件的三维模型；
S702、将步骤S701中建立的三维模型通过步骤S200计算得到选定涂层体系下典型结构件的腐蚀速率以及腐蚀电位；
S703、将步骤S701中建立的的三维模型通过步骤S300～S400，计算得到选定涂层体系下典型结构件腐蚀后的力学性能损伤；完成仿真。
作进一步优化，所述步骤S100中选取的涂层体系包括底漆、面漆、处理工艺以及干膜厚度的特征参数。
作进一步优化，所述步骤S100中选取的试验样品为板状哑铃试样；同时，选取的试验样品为海洋大气环境下暴露1～8年的样品。
作进一步优化，所述步骤S100中获取试验样品暴露腐蚀后的力学性能数据具体为：获取选定的试样样品暴露腐蚀后的拉伸强度数据，同时根据试验样品测试的拉伸强度-时间数据，通过线性回归方法拟合成试验样品暴露1～8年的拉伸强度-时间曲线方程：Z＝f(t)。
作进一步优化，所述步骤S200具体为：
S201、在腐蚀仿真软件CorrosionMaster中输入涂层参数时，将涂层孔径随时间变化值设定为固定值，然后利用涂层破损系数随时间变化曲线替代腐蚀仿真软件中的低频阻抗随时间变化曲线；其中，涂层破损系数随时间变化曲线：Y＝Z＝f(t)；
S202、然后在腐蚀仿真软件CorrosionMaster中定义试验样品材料特性参数(如弹性模量、泊松比、极化曲线)、几何结构参数(即三维模型)和环境条件参数(如环境温度、湿度)；
S203、采用多离子传输与反应模型作为所选试验样品的基础模型，计算得到电场强度分布(即电位分布)以及金属表面而对腐蚀电流分布；
S204、采用三维建模软件，建立所选试样的三维物理模型并载入CorrosionMaster中；
S205、在CorrosionMaster中输入仿真环境参数，所述仿真环境参数与所述步骤S100中选定的试验样品环境一致；
S206、对建立的三维物理模型进行网格划分与有限元计算，获得涂层体系与试验样品腐蚀仿真计算结果。
作进一步优化，所述步骤S203采用多离子传输与反应模型作为所选试验样品的基础模型，获得电场强度分布(即电位分布)以及金属表面而对腐蚀电流分布的具体步骤为：
多离子传输与反应模型的具体为：
式中，
为粒子浓度随时间的变化；
为对流相，表示对流对粒子浓度变化的贡献；
为迁移相，表示带电粒子在电场下迁移对粒子浓度变化的贡献；
为扩散相，表示由粒子扩散运动对粒子浓度变化的贡献；zk表示电荷数；ck表示离子浓度；uk表示迁移率，其单位为(mol·s/kg)；Dk表示第k中带电粒子的扩散系数，其单位为(m/s)；F表示法拉第常数，即F＝96485C/mol；U表示电解质溶液电势，其单位为(V)；
表示拉普拉斯算子；
表示溶液流动速度，其单位为(m/s)；
所选试验样品的腐蚀主要为金属表面的电偶腐蚀，建立电中性方程：
所选试验样品为金属样品、金属样品表面的电解质溶液浓度较低且性质均一稳定，同时联立电中性方程，获得多离子传输与反应模型的简化模型：
采用有限元分析将简化模型中的各参量乘积等效为电导率常量，获得电场强度分布(即电位分布)方程：
式中，σ表示介质电导率，其单位为(S/m)；
其中：
式中，
表示电解质电流分布矢量，其单位为(A/m2)。
作进一步优化，所述步骤S300中给定时间节点与步骤S100中选定的试验样品时间节点一致。
作进一步优化，所述步骤S400具体为：
S401、将步骤S300中腐蚀后的三维形貌结构作为力学性能损伤仿真计算的三维物理模型作为输入；
S402、采用载荷分析软件对腐蚀后的三维形貌结构进行网格划分；
S403、输入选定试验样品的材料参数；
S404、定义边界条件(如固定三维模型一端)与载荷(如外界环境温度、施加应力方式及量值、试验时间)；
S405、采用结构力学求解器仿真腐蚀后的三维构结构整体或局部区域的力学性能损伤演变规律。
作进一步优化，所述步骤S500中提取的步骤S400中的试验样品数据为横向哑铃位置的力学性能数据。
作进一步优化，所述步骤S600中修正步骤S200中涂层破损系数中的参数具体为：根据步骤S400中仿真计算得到的腐蚀后的试验样品或涂层的力学性能数据与步骤S100中试验样品暴露腐蚀后的力学性能数据的比值倍数λ，修正步骤S201中涂层破损系数随时间变化曲线中的常数K值。
本发明具有如下技术效果：
本申请提供的方法充分利用现有数据库中的大量的涂层体系下样品环境适应性试验数据、具体为涂层体系下样品腐蚀后力学性能损伤试验数据，进行结构件的腐蚀效应控制仿真，有效避免腐蚀效应控制仿真前必须试验进行有机涂层体系孔径随时间变化、低频阻抗值随时间变化等数据的测试，从而提高了工作效率、避免有机涂层体系孔径随时间变化与低频阻抗值随时间变化等数据的误差造成的计算结果误差，进而有效提高控制仿真结果的准确性以及精确性；并且，该方法所计算模型经过对比以及环境适应性试验数据矫正，最大程度的提高了仿真计算结果的可信度。
本技术方案操作简单、计算精度更高，提高了工程实用性。
附图说明
图1为本发明实施例中有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法，其特征在于：
包括：
S100、选定研究对象：根据行业数据库中大量涂层及结构件环境适应性试验，选取研究的涂层体系及试验样品；同时获取试验样品暴露腐蚀后的力学性能数据；
选取的涂层体系包括底漆、面漆、处理工艺以及干膜厚度的特征参数；选取的试验样品为板状哑铃试样；同时，选取的试验样品为海洋大气环境下暴露1～8年的样品。
获取试验样品暴露腐蚀后的力学性能数据具体为：获取选定的试样样品暴露腐蚀后的拉伸强度数据，同时根据试验样品测试的拉伸强度-时间数据，通过线性回归方法拟合成试验样品暴露1～8年的拉伸强度-时间曲线方程：Z＝f(t)。
S200、涂层体系及样品腐蚀行为计算：引入并利用涂层破损系数等效涂层随时间变化的阻抗数据，然后在腐蚀仿真软件Corrosion Master中对选定的涂层体系及试验样品进行大气腐蚀行为计算；
具体为：
S201、在腐蚀仿真软件CorrosionMaster中输入涂层参数时，将涂层孔径随时间变化值设定为固定值，然后利用涂层破损系数随时间变化曲线替代腐蚀仿真软件中的低频阻抗随时间变化曲线；其中，涂层破损系数随时间变化曲线：Y＝Z＝f(t)；
S202、然后在腐蚀仿真软件CorrosionMaster中定义试验样品材料特性参数(如弹性模量、泊松比、极化曲线)、几何结构参数(即三维模型)和环境条件参数(如环境温度、湿度)；
S203、采用多离子传输与反应模型作为所选试验样品的基础模型，计算得到电场强度分布(即电位分布)以及金属表面而对腐蚀电流分布；
多离子传输与反应模型的具体为：
式中，
为粒子浓度随时间的变化；
为对流相，表示对流对粒子浓度变化的贡献；
为迁移相，表示带电粒子在电场下迁移对粒子浓度变化的贡献；
为扩散相，表示由粒子扩散运动对粒子浓度变化的贡献；zk表示电荷数；ck表示离子浓度；uk表示迁移率，其单位为(mol·s/kg)；Dk表示第k中带电粒子的扩散系数，其单位为(m/s)；F表示法拉第常数，具体为F＝96485C/mol；U表示电解质溶液电势，其单位为(V)；
表示拉普拉斯算子；
表示溶液流动速度，其单位为(m/s)；
所选试验样品的腐蚀主要为金属表面的电偶腐蚀，建立电中性方程：
所选试验样品为金属样品、金属样品表面的电解质溶液浓度较低且性质均一稳定，同时联立电中性方程，获得多离子传输与反应模型的简化模型：
采用有限元分析将简化模型中的各参量乘积等效为电导率常量，获得电场强度分布(即电位分布)方程：
式中，σ表示介质电导率，其单位为(S/m)；
其中：
式中，
表示电解质电流分布矢量，其单位为(A/m2)，本申请中具体指代金属表面的腐蚀电流分布矢量。
S204、采用三维建模软件，建立所选试样的三维物理模型并载入CorrosionMaster中；
S205、在CorrosionMaster中输入仿真环境参数，所述仿真环境参数与所述步骤S100中选定的试验样品环境一致；
S206、对建立的三维物理模型进行网格划分与有限元计算，获得涂层体系与试验样品腐蚀仿真计算结果。
作进一步优化，所述步骤S203采用多离子传输与反应模型作为所选试验样品的基础模型，获得电场强度分布(即电位分布)以及金属表面而对腐蚀电流分布的具体步骤为：
S300、腐蚀形貌输出：根据步骤S200中的腐蚀计算结果，直接输出给定时间节点的腐蚀后形貌结构；给定时间节点与步骤S100中选定的试验样品时间节点一致，即给定时间节点为1～8年。
S400、腐蚀后力学性能计算：通过通用有限元软件对步骤S300导出的腐蚀后形貌进行力学行为计算，计算得到腐蚀后的试验样品或涂层的力学性能数据；
具体为：
S401、将步骤S300中腐蚀后的三维形貌结构作为力学性能损伤仿真计算的三维物理模型作为输入；
S402、采用载荷分析软件对腐蚀后的三维形貌结构进行网格划分；
S403、输入选定试验样品的材料参数；
S404、定义边界条件(如固定三维模型一端)与载荷(如外界环境温度、施加应力方式及量值、试验时间)；
S405、采用结构力学求解器仿真腐蚀后的三维构结构整体或局部区域的力学性能损伤演变规律。
S500、数据比对：将步骤S100中获取的行业数据库中试验样品暴露腐蚀后的力学性能数据与步骤S400中计算得到腐蚀后的试验样品或涂层的力学性能数据进行比对；提取的步骤S400中的试验样品数据为横向哑铃位置的力学性能数据，且数据比对具体为：将步骤S400中1～8年腐蚀后的试验样品或涂层的力学性能数据与S100选定样品1～8年腐蚀后拉伸强度数据进行对比分析；
S600、结果输出与修正：若上述比对结果不一致，则修正步骤S200中涂层破损系数中的参数并重新输出步骤S200，具体为：根据步骤S400中仿真计算得到的腐蚀后的试验样品或涂层的力学性能数据与步骤S100中试验样品暴露腐蚀后的力学性能数据的比值倍数λ，修正步骤S201中涂层破损系数随时间变化曲线函数表达式，即涂层破损系数随时间变化曲线：Y′＝λf(t)；
然后重复步骤S200～S500，直至步骤S400中的仿真结构与步骤S100中的试验结果一致；
S700、选定涂层体系下典型结构件腐蚀效应控制仿真：
S701、采用三维模型软件建立步骤S100中选定的涂层体系下的典型结构件的三维模型；
S702、将步骤S701中建立的三维模型通过步骤S200计算得到选定涂层体系下典型结构件的腐蚀速率以及腐蚀电位；
S703、将步骤S701中建立的的三维模型通过步骤S300～S400，计算得到选定涂层体系下典型结构件腐蚀后的力学性能损伤；完成仿真。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
为了示例和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和组合。
Claims (6)
1.一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法，其特征在于：
包括：
S100、选定研究对象：根据行业数据库中大量涂层及结构件环境适应性试验，选取研究的涂层体系及试验样品；同时获取试验样品暴露腐蚀后的力学性能数据；
S200、涂层体系及样品腐蚀行为计算：引入并利用涂层破损系数等效涂层随时间变化的阻抗数据，然后在腐蚀仿真软件Corrosion Master中对选定的涂层体系及试验样品进行大气腐蚀行为计算；
S300、腐蚀形貌输出：根据步骤S200中的腐蚀计算结果，直接输出给定时间节点的腐蚀后形貌结构；
S400、腐蚀后力学性能计算：通过通用有限元软件对步骤S300导出的腐蚀后形貌进行力学行为计算，计算得到腐蚀后的试验样品或涂层的力学性能数据；
S500、数据比对：将步骤S100中获取的行业数据库中试验样品暴露腐蚀后的力学性能数据与步骤S400中计算得到腐蚀后的试验样品或涂层的力学性能数据进行比对；
S600、结果输出与修正：若上述比对结果不一致，则修正步骤S200中涂层破损系数中的参数并重新输出步骤S200；然后重复步骤S200～S500，直至步骤S400中的仿真结构与步骤S100中的试验结果一致；
S700、选定涂层体系下典型结构件腐蚀效应控制仿真：
S701、采用三维模型软件建立步骤S100中选定的涂层体系下的典型结构件的三维模型；
S702、将步骤S701中建立的三维模型通过步骤S200计算得到选定涂层体系下典型结构件的腐蚀速率以及腐蚀电位；
S703、将步骤S701中建立的的三维模型通过步骤S300～S400，计算得到选定涂层体系下典型结构件腐蚀后的力学性能损伤；完成仿真。
2.根据权利要求1所述的一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法，其特征在于：所述步骤S100中获取试验样品暴露腐蚀后的力学性能数据具体为：获取选定的试样样品暴露腐蚀后的拉伸强度数据，同时根据试验样品测试的拉伸强度-时间数据，通过线性回归方法拟合成试验样品暴露1～8年的拉伸强度-时间曲线方程：Z＝f(t)。
3.根据权利要求1所述的一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法，其特征在于：所述步骤S200具体为：
S201、在腐蚀仿真软件CorrosionMaster中输入涂层参数时，将涂层孔径随时间变化值设定为固定值，然后利用涂层破损系数随时间变化曲线替代腐蚀仿真软件中的低频阻抗随时间变化曲线；其中，涂层破损系数随时间变化曲线：Y＝Z＝f(t)；
S202、然后在腐蚀仿真软件CorrosionMaster中定义试验样品材料特性参数(如弹性模量、泊松比、极化曲线)、几何结构参数(即三维模型)和环境条件参数(如环境温度、湿度)；
S203、采用多离子传输与反应模型作为所选试验样品的基础模型，计算得到电场强度分布(即电位分布)以及金属表面而对腐蚀电流分布；
S204、采用三维建模软件，建立所选试样的三维物理模型并载入CorrosionMaster中；
S205、在CorrosionMaster中输入仿真环境参数，所述仿真环境参数与所述步骤S100中选定的试验样品环境一致；
S206、对建立的三维物理模型进行网格划分与有限元计算，获得涂层体系与试验样品腐蚀仿真计算结果。
4.根据权利要求3所述的一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法，其特征在于：，所述步骤S203采用多离子传输与反应模型作为所选试验样品的基础模型，获得电场强度分布(即电位分布)以及金属表面而对腐蚀电流分布的具体步骤为：
多离子传输与反应模型的具体为：
式中，
为粒子浓度随时间的变化；
为对流相，表示对流对粒子浓度变化的贡献；
为迁移相，表示带电粒子在电场下迁移对粒子浓度变化的贡献；
为扩散相，表示由粒子扩散运动对粒子浓度变化的贡献；zk表示电荷数；ck表示离子浓度；uk表示迁移率，其单位为(mol·s/kg)；Dk表示第k中带电粒子的扩散系数，其单位为(m/s)；F表示法拉第常数，即F＝96485C/mol；U表示电解质溶液电势，其单位为(V)；
表示拉普拉斯算子；
表示溶液流动速度，其单位为(m/s)；
所选试验样品的腐蚀主要为金属表面的电偶腐蚀，建立电中性方程：
所选试验样品为金属样品、金属样品表面的电解质溶液浓度较低且性质均一稳定，同时联立电中性方程，获得多离子传输与反应模型的简化模型：
采用有限元分析将简化模型中的各参量乘积等效为电导率常量，获得电场强度分布(即电位分布)方程：
式中，σ表示介质电导率，其单位为(S/m)；
其中：
式中，
表示电解质电流分布矢量，其单位为(A/m2)。
5.根据权利要求1所述的一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法，其特征在于：所述步骤S300中给定时间节点与步骤S100中选定的试验样品时间节点一致。
6.根据权利要求1所述的一种有机防护涂层体系下结构件腐蚀效应控制仿真方法，其特征在于：所述步骤S400具体为：
S401、将步骤S300中腐蚀后的三维形貌结构作为力学性能损伤仿真计算的三维物理模型作为输入；
S402、采用载荷分析软件对腐蚀后的三维形貌结构进行网格划分；
S403、输入选定试验样品的材料参数；
S404、定义边界条件(如固定三维模型一端)与载荷(如外界环境温度、施加应力方式及量值、试验时间)；
S405、采用结构力学求解器仿真腐蚀后的三维构结构整体或局部区域的力学性能损伤演变规律。
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