1.3 装备腐蚀仿真软件发展情况

目前，国外成熟的装备腐蚀仿真软件主要有美国的Corrosion Djinn、英国的BEASY、比利时的CorrosionMaster、瑞典的COMSOL Multiphysics、美国的OLI Corrosion Analyzer及法国的Cetim Procor Cathodic Protection Simulation。

1.美国的Corrosion Djinn

Corrosion Djinn是美国的Corrdesa公司在美国海军研究办公室（ONR）资助的海基航空（Sea-Based Aviation，SBA）项目背景下开发的腐蚀仿真软件，如图1-3所示。该软件基于西门子公司的Simcenter STAR-CCM+开发，采用多物理场模拟方法解决海军航空装备电化学腐蚀问题。飞机常用材料的电化学参数库、极化曲线解析、薄液膜环境腐蚀参数分析是该软件的特色。该软件能够分析复杂材料体系搭配、涂层、表面处理工艺等对飞机结构腐蚀热点的影响，在宏观和微观尺度模拟评估电偶腐蚀等对飞机结构安全性的影响。目前，该软件在国内禁用。

Corrosion Djinn主要用于评估飞机上的异种金属电偶腐蚀问题。首先，构建了飞机常用材料的电化学参数库，其中包括实验测得的材料极化曲线；其次，根据实际结构模型，对异种金属搭接部位的电偶腐蚀强度进行评估，找出腐蚀热点。

2.英国的BEASY

BEASY是英国的Computational Mechanics公司开发的腐蚀仿真软件，如图1-4所示。BEASY以边界元法为基础，通过求解偏微分方程（单物理场）或偏微分方程组（多物理场耦合）实现真实物理现象的仿真，用数学方法求解真实世界的物理问题，主要用于电化学腐蚀仿真分析计算、腐蚀控制、电偶腐蚀、特征管理、缺陷评估和裂纹扩展模拟等计算模拟领域。BEASY的腐蚀仿真模块主要包括两部分：电化学材料数据库及腐蚀预测模块BEASY POLCURVEX和电化学腐蚀仿真分析模块BEASY Corrosion Manager。BEASY POLCURVEX模块侧重于数据驱动的腐蚀预测，允许设计和维护工程师通过腐蚀动力学（金属极化、电解质特性、控制电偶腐蚀过程的暴露条件）因素对装备腐蚀风险做出评估；允许用户对实测的动电位极化曲线进行反卷积，将其转化为电化学速率方程；支持在电化学材料数据库内收集和管理大气薄液膜和浸泡电解液环境下的极化数据；提供了电化学材料数据库，其中包括常用的商业结构材料数据库、航空航天结构材料数据库和海洋工程结构材料数据库等。BEASY Corrosion Manager模块侧重于理论驱动的仿真计算，即采用计算方法对不同环境和设计方案中的腐蚀开展定量预测计算，可以在结构的表面定义不同厚度的电解液环境，包括结构缝隙的定义和电解液环境特征的定义，预测腐蚀发生的位置，评估腐蚀的严重程度，以及不同设计方案的腐蚀防护性能优劣。

BEASY的特点包括：基于边界元法和有限元法开发；提供了电化学材料数据库（包括材料的物化特性、极化曲线和涂料老化数据）；采用薄液膜理论，支持复杂几何模型输入，计算稳健、快速；内置智能网格生成器，无须用户手动划分网格；支持腐蚀与腐蚀后剩余寿命预测的一体化解决方案；支持腐蚀后结构形貌输出；支持依时动态腐蚀仿真；可自动生成仿真报告；操作界面简洁、友好，操作简单；等等。BEASY的工程应用广泛，尤其在航空、国防、海洋等领域有大量的实际应用案例。

3.比利时的CorrosionMaster

21世纪初期，比利时的Elsyca公司开始研究F-18战斗机的腐蚀问题，成功开发出CorrosionMaster。该软件能够进行高精度的电化学腐蚀仿真，由该软件仿真得到的结果可以作为评估金属的电化学腐蚀风险的理论依据，并为腐蚀防护设计工作提供数据支持和科学的理论依据。该软件在提高装备稳定性的同时还可以加快装备设计流程，降低设计成本，并且可用来评估装备腐蚀防护改造或维修的可行性，快速评估装备在不同环境下的腐蚀行为，以及优化和验证不同的设计方案。

CorrosionMaster功能强大，自动化程度和灵活性高；支持复杂几何模型输入，可利用CATIA、UG等专业CAD软件进行建模，导入模型之后自动识别模型中容易发生腐蚀的部位并划分网格；其专业的前处理器可用来解析金属的极化曲线，同时用户可自定义环境数据和材料数据；配合其强大的求解器，可模拟各种在不同环境条件下的部件级研究对象的均匀腐蚀、电偶腐蚀，模拟腐蚀速率及电流密度分布，仿真腐蚀后的结构形貌；仿真之后利用后处理器可快速生成仿真报告，从而能够精确地评估不同的材料种类、不同的结构设计和不同的外界环境等因素对金属腐蚀行为的影响；使设计师和工程师能够在设计的早期阶段识别腐蚀风险，制订解决方案，从而降低装备腐蚀风险，提高装备设计水平。

CorrosionMaster用于评估飞机复杂结构的腐蚀热点、电化学保护系统设计的合理性、腐蚀减薄规律等，包含前处理器、求解器和后处理器三个模块，采用有限元法进行仿真计算，计算流程与Corrosion Djinn、BEASY类似，其计算流程如图1-5所示。

4.瑞典的COMSOL Multiphysics

瑞典的COMSOL Multiphysics开发于20世纪80年代，源自MATLAB的偏微分方程工具箱，是一款优秀的多物理场耦合建模软件，当前其研发总部位于美国。COMSOL Multiphysics是一款功能强大的仿真分析软件，不仅能够模拟电学、声学、光学、传质与传热、电化学、流体力学与结构力学等单一物理场下发生的物理化学过程，还能够进行多物理场耦合仿真分析，再配合强大的求解器，可广泛应用于诸多工业领域。该软件可以精确地进行建模，具有非常高的灵活性，可用软件内置或自定义的方程来描述任意的物理场，并且可以耦合任意不同的物理场，以期更精确地模拟真实世界中发生的一系列复杂的物理化学过程。该软件用于模拟、分析各种不同物理场下的实际工程问题。

该软件中的电化学腐蚀模块可用于对金属在电解液作用下发生的各种类型的电化学腐蚀进行建模和仿真。该模块功能强大，可用于构建复杂的几何模型，并且可以灵活定义金属表面的电化学反应、在金属和溶液之间的界面上发生的其他反应，以及界面和电解液中的物质传递、金属本体中的电流传导，可以直接模拟各种类型的腐蚀问题。该模块通过模拟腐蚀过程中电极表面发生的电化学反应、电解质的变化描述腐蚀过程中的物质传递与腐蚀产物，同时可通过Butler-Volmer公式、Tafel公式或自定义电化学方程对腐蚀电位和电流密度分布进行定义或描述，求解可得到包括电化学反应及电解质和金属的电流、电位等在内的结果，以及腐蚀过程中的均相现象。另外，该模块结合动网格模型可还原材料的动态腐蚀过程，为腐蚀防护机理分析和腐蚀防护措施的性能评价提供科学的依据，可减少实验工作量，提高工作效率，降低腐蚀研究的成本。该模块可以直接仿真大多数电化学腐蚀过程，如原电池腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀，通过模拟腐蚀界面的变化及其附近电解质的变化，研究腐蚀性介质和腐蚀材料中的物质传递过程。该模块中还包含对腐蚀电位和电流密度分布进行模拟的标准接口。COMSOL Multiphysics的界面如图1-6所示。

5.美国的OLI Corrosion Analyzer

OLI Corrosion Analyzer是由美国的OLI Studio公司开发的一款基于第一性原理的腐蚀预测软件，能够预测整体腐蚀速率、合金发生局部腐蚀的倾向、热处理合金的损耗曲线及合金的热力学稳定性等。该软件通过识别腐蚀的反应机理，使用户能够处理水相腐蚀问题，进而采取措施降低或消除腐蚀所带来的风险。该软件主要用于石化领域的材料腐蚀分析。

OLI Corrosion Analyzer是基于金属腐蚀理论及大量现场实际数据构建的灵活实用的系统，包括化学动力学和热力学分析计算模型、氧化-还原反应模拟计算分析模型、腐蚀预测分析模型等多个模型，不仅可以分析计算体系在各种条件下的各种物理、化学、动力学和热力学参数，还可以分析计算各种金属在某种环境下的腐蚀情况。该软件提供了强大的OLI公共数据库、Corrosion数据库等多个数据库，方便使用者查询所需物质的有关信息。OLI Corrosion Analyzer能够分析在环境温度、压力、pH、物质组成和流动状态等变化的情况下金属的腐蚀情况。该软件还提供了电位-pH图、腐蚀速率-温度曲线、腐蚀速率-流速曲线、腐蚀速率-pH曲线、腐蚀速率-组分曲线、腐蚀速率-压力曲线及极化曲线等多种计算分析结果，以帮助现场技术人员和科研人员对腐蚀进行深入的分析，并且找到解决和预防腐蚀问题的方法。OLI Corrosion Analyzer可以分析预测各种金属的化学及电化学腐蚀，已在石油和化学工业中得到了广泛应用，其界面如图1-7所示。

6.法国的Cetim Procor Cathodic Protection Simulation

法国的Cetim Procor Cathodic Protection Simulation主要用于海上平台的牺牲阳极阴极保护系统的设计与评估，其功能如图1-8所示。该软件基于电偶腐蚀原理，对牺牲阳极阴极保护系统的整体效果进行评估，结合腐蚀电流、腐蚀电位的空间分布趋势，对阳极位置、数量进行优化设计。