基于FEM-BEM混合法的舰船腐蚀相关静态电场研究

摘要

腐蚀相关静态电场是舰船重要的非声特征之一，建立能够同时反映船体内外腐蚀相关静态电场状态的仿真模型是对其进行研究的关键。为评估边界元法（BEM）“等势体假设”带来的计算误差，也为研究舰船复合防腐系统全寿命期内的腐蚀相关静态电场，本文根据船体内外场域的各自特点，提出了基于有限元-边界元（FEM-BEM）混合法的仿真模型并完成了计算程序的编制和验证，为相关研究的开展提供了仿真方法。主要研究工作如下： 首先通过在浸水结构表面处引入电化学耦合边界条件，建立了基于FEM-BEM混合法的水下金属结构物腐蚀相关静态电场分析模型并编制了计算程序。通过与BEM计算结果的比较，证明了采用该方法模拟电偶腐蚀和外加电流阴极保护（Impressed current cathodic protection, ICCP）这两种典型腐蚀/防腐状态时参数设置的合理性。 接着对舰船腐蚀相关静态电场的控制参数进行了梳理并给出了模型化方法，通过与模型实验结果的比较对方法的有效性进行了验证。 最后以某舰ICCP系统设计方案为研究对象，对复合防腐系统全寿命期内典型工况下的腐蚀相关静态电场进行了研究。结果表明，当 ICCP系统处于正常工作状态时，防腐系统寿命末期的静态电场强度明显强于初始状态，大块的局部涂层脱落会对场强造成影响；当系统处于关闭状态时，防腐系统全寿命期内电场分布情况基本保持一致，相对工作状态时的场强有明显降幅，是一种可行的战时措施；全寿命期内的电场垂直分量在三倍船长距离外的衰减速率明显大于水平分量；桨轴接地系统失效时，接地电阻的变化对水下静态电场的强度和分布影响显著；BEM 法“等势体假设”引起的计算误差与电极表面的涂层状态和电极间的内部压差密切相关；在战时将单区ICCP系统的控制电位调整至某一数值以电场特征控制是可行的，可实现比关闭系统更好的控制效果。

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