A Corrdesa foi fundada em 2011 com o objetivo de desenvolver um conjunto de ferramentas de simulação de corrosão para a comunidade de materiais.
Sua abordagem exclusiva combina 25 anos de experiência em simulação de CFD com expertise em materiais, revestimentos e corrosão. A empresa tem sido fundamental na transição da análise de simulação de corrosão para as comunidades de design militar e comercial.
Suas metodologias e melhores práticas têm sido influentes na orientação de padrões militares revisados, como o MIL-STD-889.
“Escolhemos o Simcenter STAR-CCM+ por conta de suas capacidades multifísicas para modelar corrosão, filme fluido, filme fino, condensação e muito mais”
Alan Rose, CEO, Corrdesa
O custo da corrosão
A corrosão está custando aos EUA US$ 25 bilhões por ano, ou 4% do orçamento do Departamento de Defesa dos EUA (DoD). A corrosão custa à Marinha dos EUA e ao Corpo de Fuzileiros Navais dos EUA US$ 3,6 bilhões anualmente e é responsável por aproximadamente 30% dos custos de manutenção.
Além do impacto econômico significativo, a corrosão da interação ambiental coloca o equipamento militar, a prontidão da missão e até mesmo vidas em risco.
O custo da corrosão é analisado anualmente por um escritório de corrosão do DoD, e um Conselho Consultivo de Prevenção de Corrosão existe para todos os novos sistemas militares. A NACE International, autoridade global em corrosão, estima que o custo anual da corrosão é de US$ 2,5 trilhões em todo o mundo e US$ 250 bilhões nos EUA.
Ambientes navais severos são propensos à corrosão, e o cádmio e os cromatos que antes eram usados para fornecer proteção contra corrosão estão sendo eliminados devido a preocupações ambientais.
Basicamente, o uso de materiais diferentes, como compostos de fibra de carbono e alumínio na presença de eletrólitos, cria corrosão galvânica, um problema que causa aproximadamente 80% das falhas estruturais na aviação militar. Isso resulta em aeronaves fora de serviço por 25 a 30 dias anualmente.
Estima-se que 25 a 30% desses problemas de corrosão poderiam ser evitados com práticas aprimoradas de gerenciamento de corrosão e seleção de materiais. Mas as diretrizes de design atuais e os padrões militares são baseados em ciência e dados desatualizados que são inadequados para lidar com materiais modernos e seu comportamento corrosivo.
Na linha de frente da corrosão
Fundada em 2011, a visão da Corrosion Resistant Design by Environmental Stress Analysis (Corrdesa) era desenvolver um conjunto de ferramentas de simulação de corrosão para a comunidade de materiais.
Como resultado, a empresa de oito pessoas da cidade de Geórgia tem sido fundamental na transição da análise de simulação de corrosão para os setores de design militar e comercial.
A Corrdesa conta com anos de experiência em corrosão e CAE. A empresa está ajudando a Marinha a implementar uma abordagem de design resistente à corrosão usando o software Simcenter STAR-CCM+ e o software Teamcenter.
O fluxo de trabalho de análise de corrosão da Corrdesa fornece seleção instantânea de material para resistir à corrosão galvânica, economizando à Marinha milhares de horas de teste e milhões de dólares.
Lutando batalhas que valem a pena
Materiais degradantes como ar, água, água salgada e/ou outros materiais reagindo com seu ambiente resultam em corrosão. Por conta disso, ativos militares são mais suscetíveis à corrosão, pois operam em ambientes hostis. Esses ambientes incluem água doce, água salgada e umidade oceânica.
Na presença desses eletrólitos líquidos, materiais diferentes com potenciais elétricos diferentes em contato (direta ou indiretamente) são propensos à corrosão galvânica, também conhecida como corrosão elétrica.
Um metal atua como um ânodo corroendo rapidamente enquanto o outro atua como um cátodo com corrosão mais lenta.
A maioria dos projetos resistentes à corrosão é feita usando a série galvânica: tabelas e gráficos classificando materiais por seu potencial elétrico com base em materiais e dados de meio século.
A diferença de potencial galvânico entre os materiais faz com que um atue como um ânodo, acelerando a corrosão. Os projetistas usam tabelas para escolher materiais e revestimentos com base em seu potencial de corrosão.
Mas os dados dessas tabelas são menos científicos e mais uma sugestão porque o potencial é medido apenas para metais individuais e não leva em conta outros metais próximos. Além disso, a cinética eletromecânica, a composição do eletrólito e a temperatura não são consideradas.
Enquanto isso, materiais e revestimentos aeroespaciais estão em constante evolução para atender aos requisitos de desempenho e ambientais.
A série galvânica foi adotada como padrão militar dos EUA (MIL-STD) e documentos detalhados (MIL-DTL) padronizando especificações e requisitos de projeto.
O MIL-STD-889 para avaliação de compatibilidade galvânica é necessário para todos os programas de aeronaves militares. Mas padrões desatualizados, mesmo quando aplicados corretamente, ainda podem resultar em má escolha de material e supervisão, por exemplo: a conta de US$ 228 milhões para reparos e retrofits relacionados à corrosão no jato de caça F-22.
“A causa raiz desse problema está no par galvânico entre o preenchimento de lacunas condutivas e os painéis de revestimento de alumínio”, diz Daniel Dunmire, Diretor, Corrosion Policy and Oversight Office, DoD.
Para isso, o DoD atualizou o MILSTD-889C para propor uma abordagem usando corrente galvânica em vez de potencial.
O Escritório de Pesquisa Naval iniciou um programa de Aviação Marítima (SBA), envolvendo a Corrdesa, para desenvolver métodos computacionais para análise e previsão de corrosão.
Análise de corrosão baseada em ciência com simulação
“Já fui expulso de reuniões no passado por dizer que você pode simular galvanoplastia e corrosão”, diz Alan Rose, diretor executivo (CEO) da Corrdesa.
“A aceitação está crescendo. Hoje, a simulação de galvanoplastia é um requisito em muitos OEMs. Com a verificação, validação e acreditação corretas, é comum usar ferramentas de simulação para previsão de corrosão.” continua.
Os 25 anos de experiência de Rose em CAE brilham quando ele fala sobre simulação de corrosão. Enquanto isso, Keith Legg, diretor de tecnologia (CTO), é um especialista de renome mundial em corrosão e revestimentos. Liderada por Rose e Legg, a Corrdesa lidera o caminho na união de corrosão e CAE.
O método de análise de corrosão da Corrdesa é um processo de três etapas que apresenta um banco de dados eletroquímico reconhecido internacionalmente: a ferramenta 1D Corrosion Djinn da Corrdesa que analisa de 80 a 90 por cento das ameaças de corrosão de geometrias simples e 3D CAE com Simcenter STAR-CCM+ para componentes complexos e áreas de alto risco.
Como parte do programa SBA, a Corrdesa trabalhou com a Marinha para criar um banco de dados eletroquímico padronizado.
O novo banco de dados no Corrosion Djinn vem com dados para ligas modernas, revestimentos e tratamentos de superfície, e é constantemente atualizado com curvas de polarização, mostrando densidade de corrente e potencial de eletrodo para novos materiais e revestimentos.
Com os dados atualizados, a ferramenta Corrosion Djinn calcula a corrente galvânica e a taxa de corrosão entre materiais, revestimentos e tratamentos diferentes para geometrias simples.
Para geometrias complexas, simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) com Simcenter STAR-CCM+ preveem as mudanças na taxa de corrosão que vêm com variações na espessura do filme e mostram onde a corrosão provavelmente ocorrerá.
A abordagem CAE pode levar de horas a dias por interface para prever e sugerir soluções para áreas de alto risco de produtos complexos.
“Em vez de nossos clientes desperdiçarem milhares de horas testando materiais e experimentando revestimentos, eles podem caracterizá-los em um dia no laboratório”, diz Rose. “Juntamente com modelagem de corrosão baseada em ciência, é possível avaliar rapidamente diferentes materiais e escolher o melhor. Testar materiais para fazê-los corroer leva tempo. Com CFD, não é destrutivo e você pode testar virtualmente várias vezes.”
A ciência da simulação é sólida?
Em um ambiente de design militar rigoroso, verificação e validação são necessárias.
Os padrões militares atualizados e o envolvimento da Corrdesa no programa SBA abriram as portas para uma maior aceitação da simulação de corrosão. Além disso, o método de design da Corrdesa foi validado em muitos casos existentes.
Quando comparado com dados de teste de testes acelerados para cupons galvânicos NAVAIR, o método 1D deu previsões aceitáveis para condições de eletrólitos a granel.
A abordagem 3D CAE, considerando a espessura do filme e o filme fluido, melhorou a previsão de filmes finos de eletrólitos. Tanto quantitativa quanto qualitativamente, previsões satisfatórias foram obtidas com diferentes resultados de câmara de teste para validar a abordagem. Mas isso funcionaria em um cenário da vida real?
Em muitas aeronaves F-18 da Marinha, os furos dos fixadores sofrem corrosão severa. O reparo envolve a inserção de uma bucha de aço inoxidável no furo do fixador ou a substituição de uma bucha menor por uma maior.
As tabelas galvânicas apontam para fixadores acoplados 15-5 PH/Al nu como a resposta. No entanto, a análise de corrosão pelo Simcenter STAR-CCM+ e Corrosion Djinn conta uma história diferente.
A simulação mostra que não apenas Ti6Al4V/Al anodizado é uma combinação de solução química melhor, mas que a melhor solução é modificar a bucha para reduzir a oxidação.
Recentemente, um fabricante de conectores elétricos não conseguiu atender aos requisitos de resistência de contato ao usar um novo material (uma combinação de zinco-níquel).
Para atender aos requisitos, os fabricantes estavam usando níquel eletrolítico preenchido com politetrafluoroetileno (EN-PTFE) em alumínio porque atendia aos requisitos de condutividade. Mas a análise de corrosão e os testes da Marinha mostraram que os conectores EN-PTFE corroem o cádmio dos conectores acoplados e aceleram a corrosão galvânica das caixas elétricas de alumínio.
Siemens e Corrdesa: o fit perfeito
“Selecionamos o Simcenter STAR-CCM+ por causa de suas capacidades multifísicas para modelar corrosão, filme fluido, filme fino, condensação e muito mais”, diz Rose. “Posso calcular de forma rápida e precisa a espessura do eletrólito, escolher a polarização correta, dados do material e calcular a distribuição da taxa de corrosão.
Ao usar um código respeitado, verificado e validado como o Simcenter STARCCM+, que nossos clientes já usam e pagaram, posso avaliar rapidamente os materiais, escolher a melhor opção e minimizar os testes. Todos ganham.”
Em média, há milhares de buchas e fixadores apenas na fuselagem, e há potencialmente milhares a mais em outros sistemas de aeronaves. Encontrar interfaces, buchas e fixadores problemáticos entre eles é uma tarefa difícil, senão impossível.
A resposta, de acordo com Rose, é o Teamcenter da Siemens, que está sendo amplamente adotado pela Marinha e pela Força Aérea dos EUA.
O Teamcenter é um software de gerenciamento de ciclo de vida de produto (PLM) de ponta a ponta que integra informações, dados, processos e pessoas ao longo da vida de um produto. A ferramenta pode identificar e documentar milhares de interfaces e materiais. Designers e mantenedores também podem acessar todos os dados eletroquímicos, Corrosion Djinn e Simcenter STAR-CCM+ dentro do Teamcenter.
A filosofia de design resistente à corrosão da Corrdesa e as soluções da Siemens oferecem um modelo para lidar com o enorme problema da corrosão.
“Testar materiais para fazê-los corroer leva tempo. Com CFD, não é destrutivo e você pode testar virtualmente várias vezes.”
Alan Rose, CEO, Corrdesa
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