压力作用下弯管的力化学腐蚀寿命评估：解析与数值方法的创新对比研究

本研究针对工程中弯管在压力与腐蚀耦合作用下的寿命预测难题，通过对比薄壁环壳（toroidal shells）的解析解与有限元（FEM）计算结果，优化了静态应力分析的精度，并首次提出内外压力下单向/双向力化学腐蚀（mechanochemical corrosion）的寿命解析模型。研究揭示了管壁曲率与应力分布对腐蚀进程的调控机制，为腐蚀监测策略提供了理论依据，成果发表于《International Journal of Engineering Science》。

　　

在石油管道、航天燃料舱等工程领域，弯管（curved pipes）因几何曲率导致的复杂应力分布，长期面临力化学腐蚀（mechanochemical corrosion）加速失效的挑战。传统解析方法如F?ppl膜理论忽略弯曲效应，而有限元（FEM）虽精确却缺乏普适性公式。更棘手的是，腐蚀速率与局部应力正相关（Dolinskii模型），但现有研究多限于简单几何体（如圆柱），弯管腐蚀的动态演化机制仍是空白。

为破解这一难题，俄罗斯科学基金会资助的研究团队通过融合解析法与数值模拟，系统评估了环壳（toroidal shells）在压力与腐蚀耦合作用下的寿命。研究首先对比了F?ppl、Lang等人的经典解析解与FEM结果，修正了应力计算误差；进而建立考虑曲率参数（R/r_i
）和腐蚀系数（m_i
, m_o
）的寿命预测模型，首次揭示最大应力点从内拱（intrados）向冠部（crown）迁移的现象，阐明了腐蚀局部强化的力学成因。

关键技术包括：1）基于薄壳理论的静态应力解析（忽略弯曲效应）；2）有限元验证（COMSOL或ANSYS）；3）Dolinskii腐蚀动力学模型；4）最弱截面原则（weakest cross-section principle）用于非均匀厚度寿命估算。

Problem formulation
研究定义环壳几何参数（r_i
, r_o
, R）与载荷条件（p_i
, p_o
），引入腐蚀速率与主应力的指数关系（m_i
σ_max
），构建力学-化学耦合控制方程。

Solutions of the elasto-static problem
通过对比Kornecki幂级数展开法与Lang环坐标解法，发现当R/r_i

5时，修正后的膜理论误差<5%，而厚壁壳需保留弯曲项。FEM验证显示冠部应力集中误差达12%，为此提出曲率修正因子。

Solution for mechanochemical corrosion
无应力腐蚀（m=0）时，寿命仅由初始厚度决定；而力化学腐蚀（m≠0）导致厚度非均匀演化。研究发现：内压使腐蚀向冠部集中，外压则强化内拱腐蚀，且曲率越大（R/r_i
越小），寿命缩短越显著。

Conclusions
研究创新点在于：1）建立环壳腐蚀寿命的闭式解；2）绘制解析与数值解的误差分布图；3）揭示应力迁移规律对腐蚀定位的影响。该模型为弯管设计提供快速评估工具，尤其适用于核电管道等高风险场景。讨论部分指出，未来需扩展至多场耦合（如温度梯度）及局部缺陷（如裂纹）的腐蚀预测。

全文通过力学严谨性与工程实用性的平衡，填补了复杂几何体腐蚀动力学理论的空白，被审稿人评价为“兼具方法论创新与工业应用价值”的典范研究。