 |
اثر ضخامت ایزولاتور
معرفی
آلیاژ منیزیم (Mg) که سبک ترین ماده ساختاری است، یک جایگزین جذاب برای اهداف سبک وزن در زمینه های مختلف مهندسی است. با این حال، آلیاژهای منیزیم زمانی که به سازه‌های فولادی متصل می‌شوند، مستعد خوردگی گالوانیکی هستند (مدل‌ها را ببینید – خوردگی گالوانیکی یک آلیاژ منیزیم در تماس با فولاد و خوردگی گالوانیکی با تغییر شکل الکترود – که در کتابخانه‌های کاربردی موجود است). آلیاژهای آلومینیوم (Al) معمولاً به عنوان جداکننده برای کاهش خوردگی گالوانیکی بین آلیاژ منیزیم و سازه‌های فولادی استفاده می‌شوند.
این نمونه مدل، اثر ضخامت جداساز را بر خوردگی گالوانیکی شبیه‌سازی می‌کند و بر اساس مقاله‌ای از Deshpande ( مراجعه 1 ) است.
تعریف مدل
هندسه مدل در نظر گرفته شده در این مثال در شکل 1 نشان داده شده است که در آن آلیاژ منیزیم، آلیاژ Al و فولاد ملایم (MS)، به هم متصل شده و در معرض الکترولیت قرار گرفته اند، برجسته شده اند. ضخامت جداساز Al برای شبیه سازی اثر آن بر کاهش خوردگی گالوانیکی متفاوت است.
از رابط توزیع جریان ثانویه برای حل پتانسیل الکترولیت، φl (واحد SI: V)، بر روی حوزه الکترولیت بر اساس:
که در آن il ( واحد SI: A/m2 ) بردار چگالی جریان الکترولیت و σl (واحد SI: S/m) هدایت الکترولیت است که ثابت فرض می‌شود .
از شرایط عایق پیش فرض برای همه مرزها به جز سطوح الکترود استفاده کنید:
که در آن n بردار نرمال است که به خارج از دامنه اشاره می کند.
شکل 1: هندسه مدل متشکل از آلیاژ منیزیم، آلیاژ آلیاژ و فولاد ملایم به هم متصل شده و در معرض محلول الکترولیت قرار گرفته است.
از گره مرزی سطح الکترود در سطوح الکترود استفاده کنید که شرایط مرزی پتانسیل الکترولیت را مطابق با آن تعیین می کند.
جایی که i loc، m (واحد SI: A/m 2 ) چگالی جریان واکنش الکترود فردی محلی است.
از یک نوع بیان سینتیک الکترود تعریف شده توسط کاربر برای مدل‌سازی واکنش الکترود در سطوح الکترود استفاده کنید.
چگالی جریان محلی را در سطح الکترود Mg روی آن تنظیم کنید
یک رابطه بین چگالی جریان محلی و پتانسیل الکترولیت در سطح الکترود منیزیم در مدل با استفاده از یک تابع درونیابی مکعبی تکه‌ای برای داده‌های قطبش تجربی همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، گنجانده شده است .
شکل 2: داده های قطبش برای آلیاژ منیزیم.
به طور مشابه، چگالی جریان محلی در سطح الکترود Al را روی آن تنظیم کنید
یک رابطه بین چگالی جریان محلی و پتانسیل الکترولیت در سطح الکترود Al در مدل با استفاده از یک تابع درونیابی مکعبی تکه ای برای داده های قطبش تجربی همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، گنجانده شده است .
شکل 3: داده های قطبش برای آلیاژ Al.
در نهایت، چگالی جریان محلی در سطح الکترود MS را روی آن تنظیم کنید
یک رابطه بین چگالی جریان محلی و پتانسیل الکترولیت در سطح الکترود MS با استفاده از یک تابع درونیابی مکعبی تکه ای برای داده های قطبش تجربی همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، در مدل گنجانده شده است .
شکل 4: داده های قطبش برای MS.
نتایج و بحث
شکل 5 نمودار سطحی پتانسیل الکترولیت و نمودار فلش سطحی بردار چگالی جریان الکترولیت را برای یک جفت گالوانیکی منیزیم (Mg) – فولاد ملایم (MS) با جداکننده Al به ضخامت 1 میلی متر که بین آنها قرار دارد نشان می دهد. نمودار فلش سطحی چگالی جریان الکترولیت را نشان می دهد، که در این مورد با مسیر یونی طی شده توسط یون های Mg 2+ که در محلول الکترولیت از سطح Mg حل می شوند، همزمان است.
شکل 5: نمودار سطحی پتانسیل الکترولیت و نمودار فلش سطحی بردار چگالی جریان الکترولیت برای جداساز Al به ضخامت 1 میلی متر.
شکل 6 نمودار سطحی پتانسیل الکترولیت و نمودار فلش سطحی بردار چگالی جریان الکترولیت را برای یک جفت گالوانیکی منیزیم (Mg) – فولاد ملایم (MS) با جداکننده Al به ضخامت 5 میلی متر که بین آنها قرار گرفته است نشان می دهد. نمودار فلش سطحی نشان می دهد که مسیر یونی طی شده توسط یون های Mg 2+ که در محلول الکترولیت از سطح الکترود منیزیم حل می شوند در مورد جداساز Al با ضخامت 5 میلی متر طولانی تر است. افزایش فاصله و در نتیجه افت IR، چگالی جریان گالوانیکی را در سطح الکترود Mg کاهش می‌دهد و خوردگی گالوانیکی را کاهش می‌دهد.
شکل 6: نمودار سطحی پتانسیل الکترولیت و نمودار فلش سطحی بردار چگالی جریان الکترولیت برای جداکننده Al به ضخامت 5 میلی متر.
شکل 7 تغییرات پتانسیل الکترولیت را در سطوح الکترود برای ضخامت های متفاوت جداکننده نشان می دهد. سطح منیزیم در مورد نازک ترین جداساز دارای بیشترین پلاریزه آندی و در مورد ضخیم ترین جداساز کمترین پلاریزه است که نشان دهنده تمایل به خوردگی آن است.
شکل 7: تغییرات پتانسیل الکترولیت بر روی سطوح الکترود برای ضخامت های متفاوت جداکننده.
شکل 8 کل تغییرات چگالی جریان رابط را بر روی سطوح الکترود برای ضخامت های متفاوت جداکننده نشان می دهد. چگالی جریان بر روی سطح منیزیم در مورد نازک ترین جداساز بیشترین و در مورد ضخیم ترین جداساز کمترین است که یک بار دیگر تمایل به خوردگی آن را نشان می دهد.
شکل 8: تغییرات چگالی جریان رابط کل بر روی سطوح الکترود برای ضخامت های متفاوت جداکننده.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
رابط توزیع جریان ثانویه برای مدل‌سازی مشکل با استفاده از گره‌های سطح الکترود برای سه سطح الکترود استفاده می‌شود.
سینتیک الکترود در مدل با استفاده از یک تابع درون یابی مکعبی تکه ای برای داده های قطبش تجربی به دست آمده به طور جداگانه برای سه سطح الکترود گنجانیده شده است.
یک مرحله مطالعه ثابت برای حل مشکل، با یک جارو پارامتریک برای تغییر ضخامت جداساز استفاده می‌شود.
یک توری مثلثی آزاد برای مش بندی استفاده می شود، با وضوح ریزتر در نقاط تماس بین مواد مختلف.
ارجاع
1. KB Deshpande، “اثر فضاساز آلومینیومی بر خوردگی گالوانیکی بین منیزیم و فولاد ملایم با استفاده از آزمایش‌های مدل عددی و SVET،” Corrosion Science ، جلد. 62، صفحات 184-191، 2012.
مسیر کتابخانه برنامه: Corrosion_Module/Galvanic_Corosion/Isolator_thickness
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard روی  2D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Electrochemistry>Primary and Secondary Current Distribution>Secondary Current Distribution (cd) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
برخی از پارامترهای مدل را اضافه کنید.
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
سیگما | 2.5 [S/m] | 2.5 S/m | هدایت الکترولیت |
دبلیو | 0.005 [m] | 0.005 متر | ضخامت ایزولاتور |
هندسه 1
حالا با استفاده از یک مستطیل و دو نقطه هندسه را ایجاد کنید. عرض جداساز W با استفاده از یک مطالعه پارامتری متفاوت است.
مستطیل 1 (r1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، 0.01+W را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، 0.01 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -0.005-W/2 را تایپ کنید . |
نقطه 1 (pt1)
1 | در نوار ابزار هندسه ، روی  نقطه کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Point ، بخش Point را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن x ، -W/2 را تایپ کنید . |
نقطه 2 (pt2)
1 | در نوار ابزار هندسه ، روی  نقطه کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Point ، بخش Point را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن x ، W/2 را تایپ کنید . |
4 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
5 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
اکنون هندسه باید مانند شکل 1 در مستندات باشد.
مواد
از کتابخانه مواد خوردگی برای تنظیم خواص مواد برای سینتیک الکترود در سطوح الکترود منیزیم، آلومینیوم و فولاد نرم استفاده کنید.
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، خوردگی> آلیاژهای آهن (فولادها)> فولاد ملایم در 1.6 درصد وزنی NaCl را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
مواد
فولاد ملایم در 1.6 درصد وزنی NaCl (mat1)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
3 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
4 | در پنجره Model Builder ، فولاد ملایم را در گره 1.6 درصد وزنی NaCl (mat1) گسترش دهید . |
درون یابی 1 (iloc_exp)
1 | در پنجره Model Builder ، Component 1 (comp1)>Materials> Mild steel در 1.6 wt% NaCl (mat1)>Local current density (lcd) گره را گسترش دهید ، سپس روی Interpolation 1 (iloc_exp) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات درون یابی ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار تابع را با شکل 4 مقایسه کنید .
مواد را اضافه کنید
1 | به پنجره Add Material بروید . |
2 | در درخت، Corrosion>Aluminium Alloys>AA6063 را در NaCl 1.6 wt% انتخاب کنید . |
3 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
مواد
AA6063 در 1.6 درصد وزنی NaCl (mat2)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
3 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
4 | در پنجره Model Builder ، AA6063 را در گره 1.6 درصد وزنی NaCl (mat2) گسترش دهید. |
درون یابی 1 (iloc_exp)
1 | در پنجره Model Builder ، Component 1 (comp1)>Materials>AA6063 را در 1.6 درصد وزنی NaCl (mat2)> گره چگالی جریان محلی (LCD) گسترش دهید ، سپس روی Interpolation 1 (iloc_exp) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات درون یابی ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار تابع را با شکل 3 مقایسه کنید .
مواد را اضافه کنید
1 | به پنجره Add Material بروید . |
2 | در درخت، Corrosion>Magnesium Alloys>AE44 را در NaCl 1.6 wt% انتخاب کنید . |
3 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
مواد
AE44 در 1.6 درصد وزنی NaCl (mat3)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
3 | فقط مرز 5 را انتخاب کنید. |
4 | در پنجره Model Builder ، AE44 را در گره 1.6 درصد وزنی NaCl (mat3) گسترش دهید . |
درون یابی 1 (iloc_exp)
1 | در پنجره Model Builder ، Component 1 (comp1)>Materials>AE44 را در 1.6 درصد وزنی NaCl (mat3)> گره چگالی جریان محلی (LCD) گسترش دهید ، سپس روی Interpolation 1 (iloc_exp) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات درون یابی ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار تابع را با شکل 2 مقایسه کنید .
3 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
توزیع جریان ثانویه (CD)
اکنون فیزیک را برای توزیع فعلی تنظیم کنید. با انتخاب پتانسیل الکترود مرجع شروع کنید.
1 | در پنجره تنظیمات برای توزیع جریان ثانویه ، برای گسترش بخش فیزیک در مقابل پتانسیل الکترود مرجع مواد ، کلیک کنید . |
2 | از لیست، 0.241 V (SCE در مقابل SHE) را انتخاب کنید . |
الکترولیت 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Secondary Current Distribution (cd) روی Electrolyte 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات الکترولیت ، بخش الکترولیت را پیدا کنید . |
3 | از لیست σ l ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، سیگما را تایپ کنید . |
سطح الکترود 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electrode Surface را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
واکنش الکترود 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electrode Reaction 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود ، بخش سینتیک الکترود را پیدا کنید . |
3 | از لیست i loc,expr ، گزینه From material را انتخاب کنید . |
سطح الکترود 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electrode Surface را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
واکنش الکترود 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electrode Reaction 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود ، بخش سینتیک الکترود را پیدا کنید . |
3 | از لیست i loc,expr ، گزینه From material را انتخاب کنید . |
سطح الکترود 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electrode Surface را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 5 را انتخاب کنید. |
واکنش الکترود 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electrode Reaction 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود ، بخش سینتیک الکترود را پیدا کنید . |
3 | از لیست i loc,expr ، گزینه From material را انتخاب کنید . |
مطالعه 1
از یک حل کننده پارامتریک برای تغییر عرض جداساز استفاده کنید.
جارو پارامتریک
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  پارامتر Sweep کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 |  روی افزودن کلیک کنید . |
4 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
W (ضخامت جداساز) | 1e-5 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 | متر |
حال مدل توزیع جریان ثانویه را حل کنید.
5 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
اکنون مدل حل شده است. مراحل باقیمانده زیر را برای بازتولید نمودارها از بخش نتایج و بحث دنبال کنید .
پتانسیل الکترولیت برای جداساز عریض 0.001 متر
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش Results ، روی Electrolyte Potential (cd) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مقدار پارامتر (W (m)) ، 0.001 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Electrolyte Potential (cd) ، روی  Plot کلیک کنید . |
5 | در قسمت نوشتار Label ، Electrolyte Potential را برای 0.001 m Wide Isolator تایپ کنید . |
پتانسیل الکترولیت برای جداساز عرض 0.005 متر
1 | روی Electrolyte Potential برای 0.001 m Wide Isolator کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مقدار پارامتر (W (m)) ، 0.005 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Electrolyte Potential for 0.001m Wide Isolator 1 ، روی  Plot کلیک کنید . |
5 | در قسمت نوشتار Label ، Electrolyte Potential برای 0.005 m Wide Isolator را تایپ کنید . |
گروه طرح 1 بعدی 5
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید .
Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید .نمودار خطی 1
1 | روی 1D Plot Group 5 کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 2، 4 و 5 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
4 | در قسمت Expression text -phil را تایپ کنید . |
5 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید . |
6 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
مقایسه پتانسیل الکترولیت
1 | در پنجره Model Builder ، روی 1D Plot Group 5 کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مجموعه داده ، مطالعه 1/ راه حل های پارامتریک 1 (sol2) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست موقعیت ، پایین سمت راست را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار 1D Plot Group 5 ، روی  Plot کلیک کنید . |
6 | در قسمت نوشتار Label ، Electrolyte Potential Comparison را تایپ کنید . |
مقایسه پتانسیل الکترولیت 1
روی Electrolyte Potential Comparison کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
نمودار خطی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Electrolyte Potential Comparison 1 را گسترش دهید ، سپس روی Line Graph 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Secondary Current Distribution>Electrode kinetics>cd.itot – کل چگالی جریان رابط – A/m² را انتخاب کنید . |
1 |
2 |
