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基于碳钢腐蚀的混合数字孪生的设计与实现

李华峰 刘炎 陈建如 张涛 朱嘉明 王泽

李华峰, 刘炎, 陈建如, 等. 基于碳钢腐蚀的混合数字孪生的设计与实现[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(5): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02008
引用本文: 李华峰, 刘炎, 陈建如, 等. 基于碳钢腐蚀的混合数字孪生的设计与实现[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(5): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02008
LI H F, LIU Y, CHEN J R, et al. Design and Realization of hybrid digital twin based on carbon steel corrosion[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(5): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02008
Citation: LI H F, LIU Y, CHEN J R, et al. Design and Realization of hybrid digital twin based on carbon steel corrosion[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(5): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02008

基于碳钢腐蚀的混合数字孪生的设计与实现

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02008
详细信息
    作者简介:

    李华峰,男,1980年生,博士,高级工程师

    刘炎,男,1970年生,博士,副研究员。研究方向:机电控制及物联网应用。E-mail:2016010045@hust.edu.cn

    陈建如,男,1995年生,硕士生。研究方向:机电液一体化及物联网应用。E-mail:13659784810@163.com

    张涛,男,1976年生,博士,副教授。研究方向:船舶与海洋结构动态力学特性及流固耦合。E-mail:zhangt7666@hust.edu.cn

    通信作者:

    刘炎

  • 中图分类号: U672.7+2

Design and Realization of hybrid digital twin based on carbon steel corrosion

  • 摘要:   目的  利用物联网技术及构建数字孪生模型,全面直接地反映全寿期内的金属结构腐蚀过程,实现对金属腐蚀的智能预测及维护,提高金属结构工作的可靠性。  方法  将有限元模型与实时数据驱动结合,提出一种大气腐蚀过程的混合数字孪生模型和物联网监测的实验平台设计方案,建立腐蚀数字化仿真与实际腐蚀过程的联系。  结果  通过将腐蚀物理建模与腐蚀实时数据驱动的结合,将二者组合成为一个“混合数字孪生体”,可实现对金属结构的全寿期管理。  结论  实时数据驱动与物理模型结合的混合数字孪生可为腐蚀研究及防腐蚀技术的应用提供借鉴。
  • 图  1  基于腐蚀数字孪生实验平台设计框架

    Figure  1.  Design framework of digital twin experiment platform based on corrosion

    图  2  海洋大气腐蚀仿真流程图

    Figure  2.  Simulation process of marine atmospheric corrosion

    图  3  二维模型

    Figure  3.  Two-dimensional model

    图  4  网格划分

    Figure  4.  Mesh generation

    图  5  开始腐蚀时与腐蚀1年后电解质电位分布对比

    Figure  5.  Comparison of electrolyte potential distribution at the beginning of corrosion and one year after corrosion

    图  6  腐蚀1年后电极厚度变化

    Figure  6.  Changes in electrode thickness one year after corrosion

    图  7  网络层拓扑结构

    Figure  7.  Network layer topology

    图  8  OPC Server工作原理

    Figure  8.  Working principle of OPC Server

    图  9  应用程序框架

    Figure  9.  Application framework

    图  10  电气柜及盐雾试验箱

    Figure  10.  Electrical cabinets and salt spray test boxes

    图  11  腐蚀程序主界面

    Figure  11.  Main interface of corrosion program

    图  12  温度子界面

    Figure  12.  Temperature interface

    图  13  数据所得电解质电位分布对比

    Figure  13.  Comparison of electrolyte potential distribution obtained from data

    图  14  不同相对湿度下仿真腐蚀厚度随时间变化趋势

    Figure  14.  Trend of simulated corrosion thickness over time under different relative humidity

    图  15  不同氯化钠浓度下仿真腐蚀厚度随时间变化趋势

    Figure  15.  Variation trend of simulated corrosion thickness with time under different sodium chloride concentrations

    图  16  温度和湿度随时间变化

    Figure  16.  Temperature and humidity changing with time

    图  17  pH值及氯化钠浓度随时间变化

    Figure  17.  pH value and sodium chloride concentration changing with time

    图  18  腐蚀速率随时间变化

    Figure  18.  Corrosion rate versus time

    表  1  主要参数定义

    Table  1.   Definition of major parameters

    参数数值
    盐负荷密度/(kg·m−20.009 375
    相对湿度/%97
    电解液电导率/(S·m−1)11.51
    电解液膜厚度/m1.159e-03
    溶液中盐的浓度/(kg·m−30.826
    盐溶液密度/(kg·m−31 035
    氯化钠浓度/(mol·m−3854.91
    氧气扩散系数/(m2·s−1)1.925 9e-09
    氧气溶解度/(mol·m−3)0.157
    氧气极限电流密度/(A·m−2)0.101
    Fe表面平衡势/V−0.617
    交换电流密度/(A·m−2)0.056
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-19
  • 修回日期:  2020-10-08
  • 网络出版日期:  2021-07-05

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