磁性船模制作中薄殼鐵磁材料的等效替代研究

劉勝道，周國(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，周國(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)船模制作過程中艦用薄鋼板采購(gòu)費(fèi)時(shí)、價(jià)格昂貴等問題，研究了一種被稱為“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)論充分說明，在磁性船模制作中采用普通薄鋼板來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圍空間產(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)。用磁性船模來研究有關(guān)的消磁技術(shù)問題，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，須滿足的相似條件之一是幾何相似[2]，即船模的長(zhǎng)、寬、高、線型、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)上艦用鋼材本來就較為稀缺，而且即使能買到也是厚板，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)曲線吻合得非常好，這說明當(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)曲線吻合得非常好，這說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。考慮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)曲線吻合得非常好，這說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，須滿足的相似條件之一是幾何相似，即船模的長(zhǎng)、寬、高、線型、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)船模制作過程中艦用薄鋼板采購(gòu)費(fèi)時(shí)、價(jià)格昂貴等問題，本文研究了一種被稱為“磁導(dǎo)率-厚度積成比例”的方法，通過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，周國(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