飛機蒙皮點蝕的數值模擬

摘 要：文章利用數值模擬方法對飛機蒙皮的點蝕現象進行模擬，根據瞬態圖的變化規律，得出以下模擬結果：在瞬態圖中模擬的飛機蒙皮點蝕形貌近似為半圓形，但也有其他的不規則圖形出現；在模擬條件相同的情況下，隨著時間的增加，蝕坑深度逐漸增加，蝕坑面積逐漸增大，腐蝕越來越嚴重；通過腐蝕瞬態圖可以觀察到飛機蒙皮表面蝕坑的面積和蝕坑的深度變化規律有相似之處，隨時間的增長二者均有增加的趨勢。腐蝕概率越大腐蝕越嚴重，但不同的是腐蝕濃度的影響自始至終都比較明顯。

關鍵詞：元胞自動機；蝕坑；點蝕；數值模擬

飛機在大氣環境中的飛行過程中，由于氣流環境以及所受的阻力等因素，飛機表面的蒙皮會發生點蝕，嚴重影響飛機的安全運行。點蝕是一個非常復雜的過程，不僅應考慮物化和環境因素，還應考慮自然界的各種隨機參數[1-3]。除了已有的各種確定性和經驗方法外，有必要發展可以預測初期多點腐蝕損害和成長期形態及力學參數的計算機模擬模型。關于腐蝕前期工作大部分專注于化學過程、電流和電位，以及有限生長模型。雖然腐蝕形態學已經引起了國內外極大的關注，但是對二維生長模型的仿真進行的工作還很少，還沒有基于局部規則的多點腐蝕生長演化模型的相關文獻。采用元胞自動機（Cellular Automata）（簡稱CA）方法[4]構建一個離散動力系統模型模擬金屬材料多點腐蝕的生長過程，可以在腐蝕過程的CA模型中采用確定性規則描述腐蝕發展的大趨勢，引進概率系數對其隨機性進行描述，以此來得到更符合實際情況的腐蝕仿真模型。因此，文章利用數值模擬方法對飛機蒙皮的點蝕現象進行模擬，得到飛機蒙皮點蝕失效過程的相關規律，對飛機在實際環境中的長期服役具有重要意義。

1 物理模型

在文章模擬中，假設飛機蒙皮表面僅發生了點蝕，而金屬在腐蝕過程中會發生一系列局部的電化學溶解或是鈍化反應。若不區分陰極、陽極區，則在水溶液中，金屬的溶解反應及鈍化反應分別為[5]：

溶解反應：Me+H20-MeOHaq+（1/2）H2

鈍化反應：Me+H20-MeOHsolid+（1/2）H2

假定上述反應均不會改變局部區域內溶液環境的酸堿性。

2 數值模擬

數值模擬采用元胞自動機方法，進行二維元胞自動機設置規則。元胞所分布在空間上的網格點的集合就是元胞空間。理論上，元胞空間可以任意維數的歐幾里德空間的規則劃分。二維元胞自動機的元胞空間通常可按三角形、四方形或六邊形三種網格排列，而且元胞空間可以在各維上無限延展，以利于理論研究和推理[6，7]。但是實際應用中，我們無法在計算機上實現這一理想條件。因為不可能處理無限的網格，元胞空間必須是有限的、有邊界的。在該二維元胞自動機中，涉及的元胞有金屬元胞、腐蝕元胞、非腐蝕元胞：

文章采用最簡單的馮·諾依曼（VonNeuman）型鄰居類型[8]，如圖1所示，一個元胞的上、下、左、右相鄰的四個元胞為該元胞的鄰居。黑色元胞表示中心元胞，灰色為其鄰居元胞，以它們的狀態一起來計算中心元胞在下一個時刻的狀態。在二維元胞自動機的基礎上對點蝕的縱向擴展進行的數值仿真模擬，故左右邊界采用周期型邊界，上下邊界采用對稱型邊界，為了配合局部規則的進行，每個邊界都包含兩層元胞。

2.1 腐蝕元胞濃度的影響

在文章中，通過查閱相關資料，腐蝕元胞濃度的大小模擬腐蝕環境的惡劣程度，腐蝕元胞濃度大則代表腐蝕環境惡劣，腐蝕元胞濃度小則代表腐蝕環境較好。對腐蝕模擬結果有著重要影響。通過腐蝕瞬態圖可以觀察到飛機蒙皮表面蝕坑的面積和蝕坑的深度變化規律有相似之處，隨時間的增長二者均有增加的趨勢。當腐蝕元胞濃度為0.1時，雖然蝕坑面積隨時間增加，但其大小基本沒有什么變化；當腐蝕元胞濃度為0.3時，隨時間增加，蝕坑面積大小變化較大，說明腐蝕元胞濃度越高，蝕坑面積變化越大。

2.2 腐蝕概率的影響

除了腐蝕元胞濃度之外，腐蝕概率也是影響腐蝕程度的重要因素之一。腐蝕概率的大小表征腐蝕因子對金屬腐蝕能力的強弱，通過瞬態圖可以觀察到，腐蝕概率越大腐蝕越嚴重，但不同的是腐蝕濃度的影響自始至終都比較明顯。當腐蝕概率為0.1時，蝕坑面積變化不不明顯；當腐蝕概率為0.3時，蝕坑面積變化較大，說明腐蝕概率較大時對于蝕坑面積的影響較大。

3 結束語

（1）在瞬態圖中模擬的飛機蒙皮點蝕形貌近似為半圓形，但也有其他的不規則圖形出現。

（2）在模擬條件相同的情況下，通過腐蝕瞬態圖可以觀察到飛機蒙皮表面蝕坑的面積和蝕坑的深度變化規律有相似之處，隨著時間的增加，蝕坑深度逐漸增加，蝕坑面積逐漸增大，腐蝕越來越嚴重，且腐蝕元胞濃度越高，蝕坑面積變化越大。

（3）在模擬條件相同的情況下，通過瞬態圖可以觀察到，腐蝕概率越大腐蝕越嚴重，但不同的是腐蝕濃度的影響自始至終都比較明顯，且腐蝕概率較大時對于蝕坑面積的影響較大。

參考文獻

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[7]Toffoli T， Margolus N. Cellular Automata Machines A New Environment for Modeling[M].America： MIT Press，1987：56-57.

[8]李自力，劉靜，郝寧眉，等.埋地管道點蝕生長的三維元胞自動機模擬[J].化工機械，2012，39（3）：338-342.

作者簡介：范 銘（1991-），碩士研究生，從事金屬材料腐蝕防護技術研究。