一种基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法与流程

本发明属于材料性能模拟领域，具体涉及一种基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法。

背景技术：

1、在电力输送系统中，特别是在输电站设备的长期服役过程中，腐蚀问题会对设备造成严重损坏从而影响服役情况。这些设备在服役过程中，表面会沉积大量的污染物，这些污染物会显著影响腐蚀行为，研究污染物对设备腐蚀性能的影响，提高对于腐蚀行为的预测精度，反向为材料防腐提供新的技术方案，具有实际的研究意义。

2、目前，关于可溶性盐类污染物对腐蚀性能的影响研究相对成熟，可通过类比溶液中的腐蚀行为进行分析，已有大量的前人研究文献可供参考。不可溶性污染物如灰尘的存在会改变设备表面的环境，影响腐蚀反应的进行，但这方面的研究往往缺乏系统性和深入性，大部分的研究都是通过唯象理论统计混合污染物下的腐蚀速率。而从实验手段上还原并分离灰密度与盐密度的影响尚存在一定困难，对于不可溶性污染物对腐蚀性能的研究仍然相对不足。

技术实现思路

1、针对上述现有技术涉及不可溶性污染物对腐蚀性能研究的不足，本发明将提供一种基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法。

2、为实现上述目的，具体包括以下技术方案：

3、一种基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法，包括如下步骤：

4、(1)构建灰密度和孔隙率的关系：采集现场环境中材料表面的灰尘相关信息，确定模拟中使用的灰密度的数据集；并将灰尘作为溶液中的不可溶物成分，将灰尘和溶液混合的结构视作多孔结构，构建灰密度和孔隙率的关系式；

5、(2)构建有限元仿真模型：采用计算机软件构建有限元仿真模型，所述有限元仿真模型中包括液滴区域和灰尘区域，所述液滴区域的形状与液滴在金属基体表面的形状相似或相同，所述液滴区域和灰尘区域存在交集部分，以所述交集部分作为实际的研究对象，所述交集部分设为具有孔隙的孔隙层区域；

6、(3)不同孔隙率下金属腐蚀的仿真模拟：基于上述构建的有限元仿真模型，进行不同孔隙率下金属腐蚀的仿真模拟，获得孔隙率和腐蚀电流密度的关系；

7、(4)获得灰密度与腐蚀速率的关系：通过腐蚀电流密度、腐蚀深度和腐蚀速率的关系式，构建孔隙率和腐蚀速率的关系，最后通过灰密度和孔隙率的关系式获得灰密度与腐蚀速率的关系。

8、本发明的方法中，依次通过构建灰密度和孔隙率的关系式、构建有限元仿真模型、以及不同孔隙率下金属腐蚀的仿真模拟，可以获得灰密度与腐蚀速率的关系。本发明的方法基于有限元模型模拟，系统分析不可溶性污染物对输电设备腐蚀性能的影响，提高对于腐蚀行为的预测精度，为设备的维护和防护策略提供科学依据，从而提高电力输送系统的运行可靠性和安全性。

9、优选地，步骤(1)中，所述灰密度和孔隙率的关系式为：

10、其中，ε为孔隙率，nsdd为灰密度，s是灰尘所在的载体的表面积。

11、优选地，步骤(2)中，所述液滴区域的形状为椭圆形，所述灰尘区域的形状为矩形，所述有限元仿真模型采用网格划分的方式。

12、优选地，步骤(2)中，所述计算机软件为comsol仿真软件。

13、优选地，步骤(2)中，所述孔隙层区域内各物质的有效扩散系数根据bruggeman方程来确定，bruggeman方程为：

14、di,eff＝di*ε1.5(式8)，其中，di表示物种i在当前溶液环境下的有效扩散系数，ε为孔隙率。

15、优选地，步骤(3)中，所述仿真模拟中采用三次电流分布作为物理场接口。

16、进一步优选地，所述三次电流分布中，采用butler-volmer公式描述电极反应动力学，并考虑孔隙层区域内各物质的有效扩散系数。

17、步骤(4)中，所述腐蚀电流密度、腐蚀深度和腐蚀速率的关系式包括如下公式：

18、t时刻的腐蚀深度与电流密度的关系：

19、在t时刻最大腐蚀深度的表达式为：dmax(t)＝max(d(x,t))(式11)，

20、平均腐蚀深度的计算公式：

21、平均腐蚀速率计算公式：

22、上述式中，i(x,τ)代表腐蚀电流密度，d(x,t)代表腐蚀深度，dmax(t)代表最大腐蚀深度，代表平均腐蚀深度，z为电荷量，f为法拉第常数，a代表液滴宽度，r代表平均腐蚀速率。

23、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的方法通过建立有限元模型、构建灰密度和孔隙率的关系并对不同灰密度条件下的腐蚀行为进行仿真分析，从而进一步构建出灰密度与腐蚀速率之间的关系。本发明的方法可以有效预测材料在不同灰密度条件下的腐蚀行为，为材料防护设计提供科学依据，具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述灰密度和孔隙率的关系式为：

3.如权利要求1所述的基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述液滴区域的形状为椭圆形，所述灰尘区域的形状为矩形，所述有限元仿真模型采用网格划分的方式。

4.如权利要求1所述的基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述孔隙层区域内各物质的有效扩散系数根据bruggeman方程来确定，bruggeman方程为：

5.如权利要求1所述的基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述仿真模拟中采用三次电流分布作为物理场接口。

6.如权利要求5所述的基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法，其特征在于，所述三次电流分布中，采用butler-volmer公式描述电极反应动力学，并在考虑孔隙层区域内各物质的有效扩散系数下，计算腐蚀电流密度。

7.如权利要求1所述的基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述腐蚀电流密度、腐蚀深度和腐蚀速率的关系式包括如下公式：

技术总结
本发明属于材料性能模拟领域，具体公开一种基于有限元模拟灰密度与腐蚀速率关系的方法。本发明的方法通过建立有限元模型、构建灰密度和孔隙率的关系并对不同灰密度条件下的腐蚀行为进行仿真分析，从而构建出灰密度与腐蚀速率之间的关系。本发明的方法可以有效预测材料在不同灰密度条件下的腐蚀行为，为材料防护设计提供科学依据，具有广泛的应用前景。

技术研发人员：吕旺燕,聂铭,梁永纯,岳楹超,黄丰,汪林立
受保护的技术使用者：广东电网有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5