磁性船模制作中薄殼鐵磁材料的等效替代研究

劉勝道，周?chē)?guó)華，劉月林，陳瀚斯

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磁性船模制作中薄殼鐵磁材料的等效替代研究

劉勝道，周?chē)?guó)華，劉月林，陳瀚斯

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

針對(duì)船模制作過(guò)程中艦用薄鋼板采購(gòu)費(fèi)時(shí)、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，研究了一種被稱(chēng)為“磁導(dǎo)率-厚度積成比例”的方法。仿真分析結(jié)果表明，當(dāng)兩種薄殼體材料的磁導(dǎo)率-厚度積相等時(shí)，它們制作出的船模的感應(yīng)磁場(chǎng)是相等的，因而這兩種薄殼體材料可相互替代，且替代后不會(huì)改變殼體內(nèi)部鐵磁設(shè)備的磁場(chǎng)分布，不會(huì)改變消磁繞組通電磁場(chǎng)及繞組通電使艦艇鐵磁物質(zhì)磁化后所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布。這些結(jié)論充分說(shuō)明，在磁性船模制作中采用普通薄鋼板來(lái)等效替代艦用薄鋼板是完全可行的，這將極大地提高磁性船模的制作效率，降低制作成本。

感應(yīng)磁場(chǎng) 磁性船模 薄殼 鐵磁材料

0 引言

艦艇磁場(chǎng)通常是指艦艇在其周?chē)臻g產(chǎn)生的磁場(chǎng)，是各種磁性探測(cè)設(shè)備和水中兵器用于探測(cè)和攻擊的主要物理場(chǎng)。為抵御水中磁性兵器攻擊和空中磁性探測(cè)，必須對(duì)艦艇實(shí)施磁性防護(hù)措施，而準(zhǔn)確掌握艦艇感應(yīng)磁場(chǎng)是實(shí)施磁性防護(hù)措施的重要前提[1]。

對(duì)于新型號(hào)的艦艇，需要制作艦艇磁性模型研究其感應(yīng)磁場(chǎng)；對(duì)于已服役的艦艇，也有關(guān)于其感應(yīng)磁場(chǎng)、消磁系統(tǒng)繞組、消磁方法與工藝等許多問(wèn)題需要進(jìn)行試驗(yàn)研究。盡管實(shí)船試驗(yàn)?zāi)苤苯咏鉀Q問(wèn)題，且非常直觀，但工作量大，消耗多，受氣候、場(chǎng)地等客觀因素制約，實(shí)施起來(lái)難度很大。此外，難以控制在某單一條件下進(jìn)行試驗(yàn)。用磁性船模來(lái)研究有關(guān)的消磁技術(shù)問(wèn)題，其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，不受自然條件的制約，還可排除若干其它因素而控制在某特定條件下進(jìn)行測(cè)試。因此，磁性船模被廣泛應(yīng)用。

要使實(shí)船與船模之間感應(yīng)磁性磁場(chǎng)相似，須滿(mǎn)足的相似條件之一是幾何相似[2]，即船模的長(zhǎng)、寬、高、線(xiàn)型、鋼板厚度以及測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)都應(yīng)與實(shí)船對(duì)應(yīng)尺度保持相同的比例。例如實(shí)船鋼板厚度為12mm，如果按1：30制作船模，則船模鋼板厚度僅為0.4mm。市場(chǎng)上艦用鋼材本來(lái)就較為稀缺，而且即使能買(mǎi)到也是厚板，還需尋找愿意進(jìn)行小批量軋制的廠家將其軋制成薄板，因此在船模制作過(guò)程中，艦用薄鋼板的采購(gòu)是相當(dāng)費(fèi)時(shí)的，而且相比于普通鋼板，艦用薄鋼板也非常昂貴。

本文研究了一種被稱(chēng)為“磁導(dǎo)率-厚度積成比例”的方法，用市面上的普通薄鋼板來(lái)代替艦用薄鋼板，只需普通薄鋼板的厚度與其磁導(dǎo)率乘積、艦用薄鋼板的厚度與其磁導(dǎo)率乘積這兩者成比例即可，這將大大有利于提高磁性船模的制作效率，降低制作成本。

1 基本原理

1.1相似理論

1.2薄殼鐵磁材料

由相似理論可知，當(dāng)制作實(shí)船與船模比例為1：k的磁性船模時(shí)，如果船模采用與實(shí)船相同的材料（即磁化率或磁導(dǎo)率相等），則在相同外磁場(chǎng)作用下，距離船模r/k處的感應(yīng)磁場(chǎng)與距離實(shí)船r處的感應(yīng)磁場(chǎng)相等。

2 仿真分析

2.1磁導(dǎo)率-厚度積相等的薄殼體磁場(chǎng)仿真分析

用兩種不同的材料來(lái)制作同一個(gè)直徑為2米的球殼，球殼已用TrueGrid?軟件進(jìn)行了網(wǎng)格剖分，如圖1所示。為方便觀察，圖中只示出了球殼及其網(wǎng)格的一半。

圖1 球殼及其網(wǎng)格示意圖

兩種材料的參數(shù)如下：

材料1：相對(duì)磁導(dǎo)率150，殼體厚度0.01 m；

材料2：相對(duì)磁導(dǎo)率300，殼體厚度0.005 m。

用自行開(kāi)發(fā)的磁場(chǎng)積分方程法計(jì)算軟件包Mag_IEM分別計(jì)算了這兩種材料制作的球殼在地磁場(chǎng)（34500 nT，0，0）作用下在正下方3米深度處平行于地磁場(chǎng)方向的直線(xiàn)上產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種材料制作的球殼產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)比

從圖中可以看出，兩種材料制作的球殼產(chǎn)生的磁場(chǎng)曲線(xiàn)吻合得非常好，這說(shuō)明當(dāng)兩種薄殼體材料的磁導(dǎo)率-厚度積相等時(shí)，它們制作出的模型產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)是相等的。

2.2內(nèi)部鐵磁設(shè)備影響仿真分析

采用其它鐵磁材料替代實(shí)船殼體材料后，是否會(huì)改變?cè)瓪んw內(nèi)部鐵磁設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布呢？

對(duì)于3.1中由兩種不同材料制作的球殼，在其內(nèi)部中心放置一個(gè)直徑為1.4米的鐵磁球體，球體材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為500。利用TrueGrid?軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分，如圖3所示。為方便觀察，圖中只示出了球殼內(nèi)含球體及其網(wǎng)格的一半。

圖3 球殼內(nèi)含球體及其網(wǎng)格示意圖

用自行開(kāi)發(fā)的磁場(chǎng)積分方程法計(jì)算軟件包Mag_IEM分別計(jì)算了兩種材料的球殼內(nèi)含同種材料球體（分別稱(chēng)為模型1和模型2）在地磁場(chǎng)（34500 nT，0，0）作用下在正下方3米深度處平行于地磁場(chǎng)方向的直線(xiàn)上產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種材料球殼內(nèi)含同材料球體產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)比

從圖中可以看出，兩種材料球殼內(nèi)含同材料球體產(chǎn)生的磁場(chǎng)曲線(xiàn)吻合得非常好，這說(shuō)明采用其它鐵磁材料替代實(shí)船殼體材料后，不會(huì)改變?cè)瓪んw內(nèi)部鐵磁設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布。

2.3消磁繞組影響仿真分析

制作磁性船模時(shí)，除了考慮船殼、船內(nèi)的各種鐵磁設(shè)備外，還必須模擬艦艇消磁繞組?？紤]通電消磁繞組的磁場(chǎng)時(shí)，必須同時(shí)考慮由于繞組通電使艦艇鐵磁物質(zhì)磁化后所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。那么，采用其它鐵磁材料替代實(shí)船殼體材料后，是否會(huì)改變消磁繞組通電磁場(chǎng)及繞組通電使艦艇鐵磁物質(zhì)磁化后所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布呢？

對(duì)于3.2中制作的模型，在其內(nèi)部中心的xoy平面上布置一個(gè)直徑為1.92 m的圓形繞組，繞組的安匝量取為100。利用TrueGrid?軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分，如圖5所示。為方便觀察，圖中只示出了球殼內(nèi)含球體及其網(wǎng)格的一半。

圖5 球殼內(nèi)含球體、繞組及其網(wǎng)格示意圖

用自行開(kāi)發(fā)的磁場(chǎng)積分方程法計(jì)算軟件包Mag_IEM分別計(jì)算了兩種材料的球殼內(nèi)含同種材料球體和相同繞組（分別稱(chēng)為模型1和模型2）在地磁場(chǎng)（34500 nT，0，0）作用下在正下方3米深度處平行于地磁場(chǎng)方向的直線(xiàn)上產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種材料球殼內(nèi)含同材料球體和相同繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)比

從圖中可以看出，兩種材料球殼內(nèi)含同材料球體和相同繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)曲線(xiàn)吻合得非常好，這說(shuō)明采用其它鐵磁材料替代實(shí)船殼體材料后，不會(huì)改變消磁繞組通電磁場(chǎng)及繞組通電使艦艇鐵磁物質(zhì)磁化后所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布。

3 結(jié)論

相似理論指出，要使實(shí)船與船模之間感應(yīng)磁性磁場(chǎng)相似，須滿(mǎn)足的相似條件之一是幾何相似，即船模的長(zhǎng)、寬、高、線(xiàn)型、鋼板厚度以及測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)都應(yīng)與實(shí)船對(duì)應(yīng)尺度保持相同的比例。針對(duì)船模制作過(guò)程中艦用薄鋼板采購(gòu)費(fèi)時(shí)、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，本文研究了一種被稱(chēng)為“磁導(dǎo)率-厚度積成比例”的方法，通過(guò)仿真分析得到了下述結(jié)論：

1）當(dāng)兩種薄殼體材料的磁導(dǎo)率-厚度積相等時(shí)，它們制作出的模型產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)是相等的；

2）采用其它鐵磁材料替代實(shí)船殼體材料時(shí)，只要兩種薄殼體材料的磁導(dǎo)率-厚度積相等，將不會(huì)改變?cè)瓪んw內(nèi)部的鐵磁設(shè)備所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布；

3）采用其它鐵磁材料替代實(shí)船殼體材料時(shí)，只要兩種薄殼體材料的磁導(dǎo)率-厚度積相等，將不會(huì)改變?cè)瓪んw內(nèi)部的消磁繞組通電所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布，也不會(huì)改變消磁繞組通電使艦艇鐵磁物質(zhì)磁化后所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布。

以上三個(gè)結(jié)論表明，在進(jìn)行磁性船模制作時(shí)，船模中需要使用薄殼鐵磁材料的部分均可以使用普通薄鋼板進(jìn)行替代，只需在替代時(shí)遵循“磁導(dǎo)率-厚度積成比例”的原則即可，這樣可極大地提高磁性船模的制作效率，降低制作成本。下一步將采用“磁導(dǎo)率-厚度積成比例”的方法制作某型艦艇的磁性船模，并通過(guò)磁場(chǎng)積分方程法計(jì)算軟件包Mag_IEM的仿真分析和船模磁場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量進(jìn)行磁場(chǎng)等效的驗(yàn)證。

[1] Gordon J，Aird C．Modelling the induced magnetic signature of naval vessels[D]．Glasgow，UK: Department of Phys ＆ Astron Univ Glasgow，2000．

[2] 劉勝道，趙文春，周?chē)?guó)華等．艦艇磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算[M]．武漢：海軍工程大學(xué)出版社, 2016．

[3] Chadebec O, Coulomb J L, Bongiraud J P, et al. Recent improvements for solving inverse magnetostatic problem applied to thin shells[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2002, 38 (2): 1005-1008.

Study on Equivalent Substitution with Thin Shell Ferromagnetic Materials of Magnetic Mock-up

Liu Shengdao，Zhou Guohua，Liu Yuelin，Chen Hansi

（College of Electrical Engineering, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China）

U666.134

A

1003-4862（2018）05-0001-04

2018-02-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 51377165）

劉勝道（1972-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：電磁環(huán)境與防護(hù)技術(shù)。E-mail: 18986151073@189.cn