腐蚀是制约舰船、航空器、车辆等装备性能的关键因素之一,特别是在建设海洋强国的背景下,装备广泛面向海洋严酷的腐蚀环境服役,装备腐蚀问题更加凸显。2005年,美国海军研究局调研指出,腐蚀是海军装备的首要维修难题,每年因装备腐蚀约耗资4.44亿美元(见图1-1)。我国的工业体系较美国相对落后,装备腐蚀问题更加严重。据统计,在2014年,我国装备腐蚀成本达21278.2亿元,约占当年国内生产总值的3.34%。装备腐蚀防护正向设计是一项复杂的系统工程,涵盖材料体系、搭接工艺、服役环境等多个方面。传统的装备腐蚀防护设计通常依靠实物试验暴露设计问题,采用“设计—试验验证—修改设计—再试验”反复迭代的串行研发模式,费效比高,试验周期长。未来装备的技术复杂程度和性能指标要求会越来越高,研发难度将显著增大,研发进度愈加紧迫,传统的研发模式已难以满足发展需求,需要实现从“传统设计”到“预测设计”的模式变革。腐蚀仿真技术是助推装备腐蚀防护设计和环境适应性设计模式变革的重要手段。
腐蚀是材料与环境相互作用而导致的劣化失效。装备腐蚀问题频发且难以根治的根本原因在于装备腐蚀过程的复杂性、不确定性。一方面,装备是由大量元器件、部件组成的复杂系统,装备内部存在压力、应力、运动载荷等的作用;另一方面,服役环境中侵蚀性因子的动态耦合作用也会诱发复杂的腐蚀过程。通过传统的实验室研究、腐蚀暴晒试验等手段进行腐蚀评估预测,虽然能够在一定程度上减缓装备腐蚀速度,也取得了一定效果,但是效率低,无法满足新时代装备快速迭代研发的需求。
目前,装备腐蚀研究方法主要包括三类:实验室研究、现场挂片研究和仿真分析。
图1-1 美国海军装备腐蚀成本
装备在海洋环境中受海水流速、温度、含盐量,大气湿度、含氧量,以及海洋生物等多因素的影响,容易产生电化学腐蚀和生物腐蚀,这会使其使用寿命缩短。复杂多变的海洋环境模拟难度大,海洋工程装备体积庞大,构件和整机试验成本高、周期长,物理试验技术难以满足海洋装备腐蚀预测和防护需求。随着计算机技术水平的不断提高,腐蚀仿真技术也得到了飞速发展。腐蚀仿真技术通过计算机模拟,可以准确预测出材料在特定腐蚀环境下的长期腐蚀行为,有助于及时、准确地提出有效的腐蚀防护对策和技术方案。目前,腐蚀仿真技术已经越来越广泛地应用于腐蚀防护研究和实际工程,为解决装备腐蚀防护领域的技术难题提供了一种有效的技术手段和途径。
腐蚀仿真技术也称为腐蚀模拟技术,其研究领域涉及多个学科,包含计算机科学、数学、材料学、力学、工程技术等。在解决工程科学问题方面,腐蚀仿真技术、理论分析和实验研究被称为三大支柱。腐蚀仿真技术具有不受时间和空间限制的优点,可便捷地模拟各种环境条件下的材料腐蚀问题。随着计算机技术的飞速发展,腐蚀仿真技术已成为预测和评价海洋工程装备腐蚀、优化防护效果的重要技术手段。腐蚀仿真的基本流程:首先基于已有的实验环境数据设定初始条件,并构建仿真模型;其次在仿真程序中进行模拟实验,并计算出模拟结果;最后通过计算结果探寻规律。相较于传统的试验操作和理论分析方法,腐蚀仿真技术具有实验周期短、可进行多因素耦合、输出结果直观等优势。在材料腐蚀与防护领域,采用腐蚀仿真技术与理论分析和实验研究相结合的方法,可以得到更为丰富的信息,这种方法在装备腐蚀防护设计方面有着非常好的应用前景。