直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算方法研究

高 強(qiáng)，周煒昶，王嘉賓，李豐渫，郭成豹

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直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算方法研究

高 強(qiáng)1，周煒昶2，王嘉賓2，李豐渫2，郭成豹2

（1 海軍駐武漢712所軍事代表室， 武漢 430064，2 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

為了實(shí)現(xiàn)直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算分析，提出了一種船體電阻仿真計(jì)算方法，編寫(xiě)了計(jì)算船體電阻的程序。對(duì)一些典型艦船的船體電阻進(jìn)行了仿真計(jì)算，并與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較。數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果比較表明，所提出的直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算方法能較好地計(jì)算船體電阻，驗(yàn)證了所提出計(jì)算方法的可行性。所得結(jié)果對(duì)直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算具有一定的理論指導(dǎo)意義。

直接通電式消磁；船體電阻；船體

0 引言

傳統(tǒng)的艦艇固定磁性處理是由工作線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)提供能量來(lái)改變艦艇的固定磁性，從而達(dá)到消除艦艇固定磁性的目的[1，2]。固定消磁按工作線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向可以分為垂向消磁、縱向消磁和橫向消磁。這三種消磁方法都是由給工作線(xiàn)圈通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)作為工作磁場(chǎng)的，可以稱(chēng)作旁通式消磁。

還有一種退磁方法是通過(guò)直接在船體上從船艏到船艉通工作電流來(lái)產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。該工作電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)檠卮w呈周向，根據(jù)綜合消磁原理中工作線(xiàn)圈磁場(chǎng)方向可任意的結(jié)論，利用船體中該工作電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能量也能達(dá)到退磁的目的，稱(chēng)作直接通電式消磁[2]。直接通電式消磁與旁通式消磁相比有以下優(yōu)點(diǎn)[3，4]：1）直接通電式消磁直接在船體上通電，工作時(shí)的交變磁場(chǎng)不受退磁因子的影響，電磁場(chǎng)能量利用率高，退磁效果好；2）直接通電式消磁不纏繞旁通式消磁的工作線(xiàn)圈，大大節(jié)省人工和退磁時(shí)間，可以節(jié)約經(jīng)費(fèi)；3）被消磁艦船易于機(jī)動(dòng)，特別適合緊急狀態(tài)下對(duì)大量艦船進(jìn)行退磁；4）直接通電式消磁通電時(shí)，交變磁場(chǎng)主要在船殼內(nèi)傳播，不會(huì)泄露在船艙內(nèi)，更不會(huì)影響艦艇上的儀器。

為了實(shí)現(xiàn)直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算，本研究提出了一種直接通電式消磁的船體電阻仿真計(jì)算方法，并編寫(xiě)計(jì)算船體電阻的程序。對(duì)幾種典型艦船的船體電阻進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果比較的方法，驗(yàn)證所提出直接通電式消磁的船體電阻仿真計(jì)算方法的可行性。

1 直接通電式消磁的工作原理

船體是一個(gè)巨大的鐵磁物體，要消除它具有的固定磁性，對(duì)船體施加磁飽和以上的交變磁場(chǎng)，逐漸減小交變磁場(chǎng)幅值至零，從而打亂船體內(nèi)部磁疇的方向，使之對(duì)外不產(chǎn)生磁場(chǎng)。如圖1所示，直接通電式消磁通過(guò)直接在船體上從船艏到船艉通工作電流來(lái)產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。

圖1 直接通電式消磁方法示意圖

1）交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式

旁通式消磁由艦艇外部繞制的通電線(xiàn)圈來(lái)提供工作磁場(chǎng)，而直接通電式消磁直接在船體上通工作電流，利用船體鐵磁材料中工作電流的電磁場(chǎng)能量來(lái)達(dá)到退磁目的，如圖2所示。

圖2 直接通電式消磁方法原理圖

2）交變磁場(chǎng)電磁能量的利用率

傳統(tǒng)的旁通式消磁在實(shí)施過(guò)程中，工作磁場(chǎng)容易受到退磁因子的制約，會(huì)大量泄露到船體外部。而直接通電式消磁的磁場(chǎng)主要在船體內(nèi)傳播。相對(duì)于旁通式消磁，直接通電式消磁的電磁能量利用率很高。

2 直接通電式消磁的船體電阻仿真計(jì)算

由于艦船的船體結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，對(duì)艦船結(jié)構(gòu)做精確的仿真工作量巨大，且對(duì)于計(jì)算直接通電式消磁的船體電阻來(lái)說(shuō)，對(duì)艦船作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化更為實(shí)用。因此，可將艦船舯部等效為一個(gè)圓柱殼體的鐵磁物體，艏艉各等效為一個(gè)圓錐殼體去除頂部后的圓臺(tái)殼體，且設(shè)船體的鋼材厚度和電阻率均相同。

設(shè)某一艦船的船體壁厚()均為8 mm。中間圓柱殼直徑(1)為12 m，長(zhǎng)度(1)為80 m；兩端的圓錐殼體直徑和1相同，也為12 m，長(zhǎng)度(2、3)為10.7m；圓錐殼體去除的頂部長(zhǎng)度(4、5)為0.7m，去除的頂部直徑(2、3)為0.8m(綜合考慮電纜與船體的連接方式)。艦船等效物如圖3所示。船鋼電阻率取1.6′10-7Ω/m。

圖3 艦船的等效物體

根據(jù)等效物的形狀，可以將船體電阻分為三個(gè)部分來(lái)計(jì)算。中間圓柱殼體的電阻為1：

兩端的圓臺(tái)殼體的電阻2、3分別為：

艦船等效物體的總電阻為：

然而，實(shí)際中上述公式所需的船體等效物體參數(shù)并不是已知的，如果進(jìn)行實(shí)船測(cè)量就會(huì)增加工作量，大大浪費(fèi)人力和時(shí)間。因此，從船體的已知參數(shù)去推算所需的船體等效物體參數(shù)更為合適。

一般一艘船已知的系數(shù)有：設(shè)計(jì)水線(xiàn)長(zhǎng)S(m)；型寬（m）；型深（m）；吃水（m）；排水量（t）；空船重量0（t）；載重量（t）；方形系數(shù)CH；鋼材比重C；鋼材電阻率（Ω/m）

則船體等效物總長(zhǎng)1與設(shè)計(jì)水線(xiàn)長(zhǎng)S相等，中間圓柱殼直徑1與型寬相等。

空船重量0可分為船殼重量s，機(jī)電設(shè)備重量m，木作舾裝重量w三大項(xiàng)估算[6]。木作舾裝重量w可按下式粗略計(jì)算

這樣艦船的鋼材重量可按下式計(jì)算

（6）

船體鋼材重量與船舶種類(lèi)很有關(guān)系。一般，貨船的鋼材重量約為排水量的四分之一。

船殼重量可以按下式估算

其中橫梁、艙壁等橫向船體結(jié)構(gòu)并不導(dǎo)電，可以認(rèn)為這些船體結(jié)構(gòu)占船體重量的四分之一，因此參與導(dǎo)電的船殼重量約為

（8）

式中系數(shù)s1=0.0195，方形系數(shù)CB表示船舶在水線(xiàn)以下的總體積與長(zhǎng)方形LBT體積之比。它表征船體水下部分的豐滿(mǎn)程度。通常，方形囤船的CB接近于1，干貨船約為0.7，快速船較小約為0.5。

則參與導(dǎo)電的艦船鋼材體積可按下式計(jì)算

如圖4所示，設(shè)船體等效物體兩端圓臺(tái)等高，且高與設(shè)計(jì)水線(xiàn)長(zhǎng)S成比例，比例系數(shù)為a。船體等效物體兩端圓臺(tái)頂部直徑相同，且頂部直徑與型寬成比例，比例系數(shù)為b。則圓錐殼體去除的頂部直徑(2、3)、頂部長(zhǎng)度(4、5)可按下式計(jì)算

（10）

則圓錐長(zhǎng)度(L2、L3)為

（12）

圖4 艦船的等效物體

因?yàn)榇w厚度與船體尺寸相比小得多，因此可以認(rèn)為船體等效物體的內(nèi)外表面積相同。則船體等效物體鋼材表面積可按下式計(jì)算

設(shè)船體等效物的鋼材厚度均勻，則鋼材厚度可按下式計(jì)算

（14）

由此，計(jì)算船體等效物電阻的所有所需參數(shù)都可以由艦船已知參數(shù)推算得到。

已知某干貨船的參數(shù)如表1所示[6]：

表1 某干貨船體已知參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由式（7）可以計(jì)算得到船殼重量為

由式（8）可以計(jì)算得到參與導(dǎo)電的船殼重量為

由式（9）、（10）、（13）和（14）可以計(jì)算得到船殼等效物平均厚度為35.7 mm。由此可以最終計(jì)算得到該干貨船的船體電阻為1.6e-05 Ω。

3 典型艦船的船體電阻計(jì)算

利用上述方法，對(duì)幾種艦船的電阻進(jìn)行仿真計(jì)算，并通過(guò)與實(shí)際測(cè)量的電阻相比較，驗(yàn)證該方法的可行性。

3.1 某型艦船電阻仿真計(jì)算

已知該型艦船的參數(shù)如表2所示[6]：

表2 某型艦船體已知參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由式（7）可以計(jì)算得到船殼重量為

由式（8）可以計(jì)算得到參與導(dǎo)電的船殼重量為

由式（9）、（10）、（13）和（14）可以計(jì)算得到船殼等效物平均厚度為24 mm。由此可以最終計(jì)算得到該艦船的船體電阻為2.9e-05 Ω。

3.2 另一型艦船電阻仿真計(jì)算

已知該型艦船的參數(shù)如表3所示[6]：

表3 另一型艦船體已知參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由式（7）可以計(jì)算得到船殼重量為

由式（8）計(jì)算得到參與導(dǎo)電的船殼重量為

由式（9）、（10）、（13）和（14）可以計(jì)算得到船殼等效物平均厚度為11.2 mm。由此可以最終計(jì)算得到該艦船的船體電阻為4.0e-05Ω。

3.3 某磁性船模電阻仿真計(jì)算

已知該船模的參數(shù)如表4所示[7、8]：

表4 磁性船模船體已知參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由式（7）可以計(jì)算得到船殼重量為

由式（8）可以計(jì)算得到參與導(dǎo)電的船殼重量為

由式（9）、（10）、（13）和（14）可以計(jì)算得到船殼平均厚度為0.3 mm。由此可以最終計(jì)算得到該磁性船模的船體電阻為0.002 Ω。

4 結(jié)論

直接通電式消磁直接在船體上通電，工作電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)檠卮w呈周向，工作時(shí)的交變磁場(chǎng)不受退磁因子的影響，電磁場(chǎng)能量利用率高。直接通電式消磁不需要繞制工作線(xiàn)圈，大大節(jié)省人工和退磁時(shí)間。同時(shí)，直接通電式消磁的交變磁場(chǎng)主要在船殼內(nèi)傳播，不會(huì)泄露到船艙內(nèi)，更不會(huì)影響到艦船上的儀器。本文提出了一種直接通電式消磁的船體電阻仿真計(jì)算方法，并編寫(xiě)了相關(guān)的程序，分別對(duì)幾種艦船的船體電阻進(jìn)行了仿真計(jì)算。數(shù)值仿真結(jié)果表明，所提出的船體電阻仿真計(jì)算方法能較好的計(jì)算各船體電阻，驗(yàn)證了所提出直接通電式消磁船體電阻仿真計(jì)算方法的合理性。研究結(jié)果對(duì)直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算具有一定的參考意義。

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Simulation Calculation of the Hull’s Resistance for the Current-through Demagnetization

Gao Qiang1, Zhou Weichang2, Wang Jiabing2, Li Fengxie2, Guo Chengbao2

(1. Navel Representatives Office of 712 Research Institute, Wuhan 430064 China; 2. School of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM153

A

1003-4862（2017）12-0001-04

2017-09-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（51277176），海軍工程大學(xué)自主立項(xiàng)課題資助

高強(qiáng)（1985-），男，博士研究生。研究方向：電力電子及電氣傳動(dòng)。E-mail: gq04@163.com 郭成豹(1975-)，男，副教授，博士。研究方向：船舶消磁、電磁場(chǎng)數(shù)值仿真。