腐蝕仿真
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
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ABAQUS 燒蝕/腐蝕仿真 UEL子程序
在 ABAQUS 里用自定義單元（UEL）實現“固體被氧氣腐蝕/燒蝕”的耦合仿真，并給出一種無需水平集即可自動追蹤腐蝕界面的簡單方法。要點如下： 1. 物理模型 - 力學場：靜力平衡，材料剛度隨腐蝕損傷 d??? 退化。
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腐蝕仿真的實例教程
在腐蝕分析中，我們經常研究的腐蝕表面所具有的電氣連接可不像控制電流或電壓那么簡單。相反，電極表面可能直接短路連接到另一個電極，例如單樁與過渡連接件之間的電氣連接。在本篇博客文章中，我們將討論如何在 COMSOL 軟件中使用適當的邊界條件來描述這些電極和外部短路。
短路和電偶腐蝕仿真
在之前的博客文章中，我們討論了鋰離子電池短路的建模，我們當時分析了一個被鋼針刺穿而產生短路的電池，并直接在幾何中繪制了穿過鋼針的電流路徑。
電偶腐蝕 是另一種系統，金屬表面之間的電氣連接起著非常重要的作用。在電偶腐蝕中，兩種具有不同電化學反應活性的金屬處于電接觸狀態，從而提供一條電流路徑，使其中一種金屬腐蝕，而化學物質（通常是溶于水的氧）在不活潑金屬端被還原。
舉例來說，為了模擬電偶腐蝕，我們可以選擇使用與低碳鋼連接的鎂合金。由于鎂具有負值較大的（氧化）腐蝕電位，因此它會優先腐蝕。經過一段時間后，鎂電極材料被腐蝕。
電解質電位分布（彩色表面）和電流密度（箭頭）。電解質電流從腐蝕的鎂合金（右）流向低碳鋼（左）。
與電解質相比，金屬具有非常高的電導率，因此我們通常認為金屬具有均勻電位。如果兩種金屬相互連接，則整個表面的電位是恒定的，這是電偶腐蝕的特征條件，即電極之間沒有外加電壓。相反，電化學電池由于兩種金屬不同的電化學環境和反應活性而發生極化。這種反應性差異產生了不同金屬上電位不同的雙電荷層。
為了方便起見，我們經常使用該電位作為系統地，表示在電位 φs 下具有簡單邊界條件的短路金屬。在電化學模型中，我們使用“電極表面”邊界條件在整個連接金屬表面設置 φs = 0。
從上圖可以明顯地看出，電解質電位在整個表面上并不均勻，而是隨著“電極反應”邊界條件中設置的局部腐蝕電位而變化，也可能取決于電極動力學或質量傳輸。
展開 圖2 晶體的有限元建模
應力腐蝕有兩種不同的類型，一種是沿晶腐蝕，另外一種是穿晶腐蝕，穿晶腐蝕的機理更加復雜。目前有限元仿真可以對沿晶應力腐蝕的過程做出仿真。首先需要確定所有晶粒之間的邊界，從而進一步在仿真中得到發生應力腐蝕開裂的路徑。如下圖所示找出了所有的晶體邊界。
圖3 開裂路徑的設置
應力腐蝕過程存在著三個階段：潛伏階段、裂紋萌生階段以及裂紋傳播階段。在潛伏階段中，晶體微結構受到應力作用和晶間腐蝕作用的影響，但是并沒有裂紋生成。在裂紋萌生階段中，裂紋開始生成，但是裂紋穿透深度很小。之后裂紋逐漸擴展，達到裂紋傳播階段，此時裂紋擴大至可以穿過整個晶間區域。有限元仿真的一個難點在于準確的判斷出不同的晶粒間所處的應力腐蝕的階段，為此相關研究人員開發出了一套如下圖所示的具體仿真流程。
圖4 應力腐蝕開裂仿真流程
仿真過程中可以通過不同晶粒之間的PH值判斷是否發生氧化。考慮到本研究是基于有限元的斷裂力學仿真，并沒有引入多物理場。氧化一般會發生在金屬與水的交界面上，當判斷晶粒間出現氧化后，會給晶粒間一個更小的臨界切應力，使得裂紋萌生的過程更容易發生。
首先，需要計算裂紋出現前晶體結構上的應力結果，再根據應力計算結果，基于開裂準則來判斷裂紋是否萌生。下圖中展示了（100）（111）（110）晶向交界處的平均等效應力計算結果。
圖5
晶體截面上平均等效應力的計算結果
再依據開裂準則可以判斷出裂紋是否萌生和傳播擴展，接下來就可以進一步對應力腐蝕開裂處的上下邊界進行平均等效應力計算。下圖展示了發生應力沿晶腐蝕后，每個高斯積分點上的等效應力計算值統計結果。
展開 螺旋管的橢圓型缺陷應力腐蝕仿真 ￥1000
應力腐蝕是指在特定應力條件下，金屬材料遭受腐蝕破壞的現象。它是由金屬表面與介質接觸時的化學反應和材料內部的應力相互作用導致的。應力腐蝕通常發生在金屬材料表面受到應力作用的情況下，同時接觸有特定的化學介質。應力可以來自外界應力（如拉伸、彎曲、擠壓等），也可以是由材料內部的殘余應力引起的。化學介質可以是溶液、氣體或其它特定的環境條件。應力腐蝕的破壞是一種在金屬材料表面出現局部腐蝕和裂紋的形式。這種破壞往往比較隱蔽，因為它通常限制在應力集中的區域，如焊縫、金屬接頭或應力集中點等。隨著時間的推移，這些裂紋可能會擴展并最終導致材料的完全破壞。
本案例建立了一帶有橢圓形缺陷的螺旋管模型，如圖1所示，基于COMSOL軟件的固體力學模塊和二次電流分布模塊模擬仿真了螺旋管在10年腐蝕期間下的應力分布和腐蝕厚度，仿真結果如圖2所示。
圖1 幾何模型
應力分布
腐蝕厚度
圖2 仿真結果
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展開 基于COMSOL軟件仿真完整接頭電偶腐蝕 ￥800
<p>本案例基于COMSOL軟件的二次電流模塊和ALE技術模擬了焊接接頭的電偶腐蝕行為，仿真結果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202203/imgs/5502d2461f514dcb9af49827704ba61b.gif" alt="Untitled2.gif"></p><p>感興趣的朋友，可下載模型源文件，歡迎交流</p><p><br></p>
展開 壓氣機導向器葉片的鹽霧腐蝕仿真 ￥500
基于COMSOL軟件的二次電流模塊仿真了壓氣機導向器葉片的電極電位，并基于電流分布殼體接口求解薄電解質域內的電解質電位。電解質膜的厚度取決于鹽負荷密度和相對濕度。氧溶解度和電解質電導率也取決于相對濕度。使用與大氣腐蝕模型相同的表達式來分析電解質膜厚、氧溶解度和電解質電導率與相對濕度的相關性。仿真結果如圖2所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/c238539d1c4448d385a40815ac069aa7.png" alt="Untitled11.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖1 幾何模型</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/7ac3e5fa234a4211bc4cdf934005e009.png" alt="Untitled12.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>腐蝕電流密度</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/10f4d4177d534c529e4f9a7bd34aadd1.png" alt="Untitled13.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>電極電流密度和電勢分布</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p><p><br></p><p><br></p>
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圖1 幾何模型
應力分布
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圖2 仿真結果
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短路和電偶腐蝕仿真
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