浅析船舶铁磁设备仿真建模要求.pdf

船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 30 浅析船舶铁磁设备仿真建模要求浅析船舶铁磁设备仿真建模要求 王 林1，吴子瑕2（1.海装武汉局驻武汉地区第二军事代表室，武汉 430064；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064）摘 要：针对船舶上数量巨大的铁磁设备导致磁场仿真建模繁琐的问题，本文基于铁磁理论，通过磁场数字仿真计算方法分析了铁磁模型对船舶磁场的影响，分别讨论了铁磁模型在不同测量平面下的磁场，以及不同吨位铁磁模型在相同距离下的磁场，并分析了船壳磁屏蔽对铁磁模型的影响，最终建立了铁磁设备建模量化标准要求。关键词：船舶消磁 感应磁场 铁磁设备 中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0030-04 Analysis on the modeling requirements of ferromagnetic equipment of a ship Lin Wang1,Wu Zixia2(1.The Second Military Representative Office of Wuhan Bureau of Naval Equipment Department,Wuhan 430064,China;2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)Abstract:For the complicated modeling of the large number of ferromagnetic equipment in the ship,On the basis of ferromagnetism theory,the effects of ferromagnetic model on the magnetic field were investigated by digital simulation computation,the magnetic field of ferromagnetic model in different distance and different model in same distance were discussed,and the effects of shell on ferromagnetic model were also analyzed.Finally the quantization standard of ferromagnetic equipment were established.Keywords:ship degassing;induced magnetic fields;ferromagnetic equipment 0 引引 言言 钢铁材料制造的船舶和设备在地磁场作用下，会形成一种非声物理场-船舶磁场，这种磁场在海洋中干扰小，容易被磁引信设备捕获，或被兵器（如水雷、鱼雷等）利用来对船舶进行攻击，为此各国相继对船舶磁场开展了广泛的研究1-3。为了获得船舶磁场，人们研究出了磁偶极子阵列计算、物理船模模拟试验、数字仿真计算等方法，取得了一定的研究成果4-12，随着各国磁场数字仿真软件的开发和应用，数字仿真计算精度越来越高，其也使用得越来越广泛。然而，船舶上的铁磁设备数量成百上千，如果在磁场仿真计算时每个设备都建立模型，一是 收稿日期：2023-02-20 作者简介：王林（1979-），男，高工。研究方向：舰船电气及自动化。E-mail: 花费时间巨大，二是会导致计算时间过长，三是即使建立模型，可能对船舶总体磁场的影响不大。面对磁场数字仿真，多年来研究者们存在疑问：哪些铁磁设备必须建立模型？为了解决这个难题，本文开展了铁磁设备模型仿真计算，分析了设备在不同距离对磁场的影响，以及不同吨位设备在同一距离对磁场的影响，并分析了船壳磁屏蔽对铁磁设备的影响，最终建立了铁磁设备建模量化标准要求。1 计算原理计算原理 船舶上的船壳和设备材料一般由钢板建造，根据铁磁理论6-7，当钢板处于外界磁场环境下，就会被磁化。一般而言，人们通常把钢铁磁化后的磁场看作恒定磁场。在恒定磁场中，有 HJ (1)Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 31 式中：H 为磁场强度；J 为传导电流密度。式（1）说明恒定磁场不同于静电场，它不是一个无旋场。在没有电流分布的区域，0J，则：0H (2)因此在传导电流为零的区域，可假设 mH (3)式中m表示标量磁位。引入标量磁位的概念可简化某些情况下的磁场计算。在均匀媒质中，标量磁位满足拉普拉斯方程，磁感应强度 B 表达式为：0B (4)将BH代入式（4），并考虑mH，则有()0mmm (5)式中 为磁导率。由于媒质是均匀的，0，因此式（5）成为 20m (6)式（6）就是标量磁位的拉普拉斯方程7。从上述理论可以看出，只要钢板磁场的边界条件确定，就可以求解得到钢板磁场。本文采用有限元法求解，解出标量磁位m以后，可以计算得到相应的钢板磁场。2 模型模型 船舶上的设备大部分由钢铁制造的，如柴油机、舵机、锚链等，这些钢铁制造的设备也会受到地球磁场的影响，产生磁场。船壳和这些设备产生的磁场叠加就形成了船舶总的磁场。为了方便探讨铁磁物质对船舶磁场的权重影响，本文用一个立方体模型来简化铁磁物质设备，采用有限元仿真软件计算铁磁物质在不同距离和不同吨位情况下对测量平面磁场的影响。为了方便计算和比较，铁磁物质相对磁导率设置为 200。2.1 数值计算 2.1.1 不同距离下模型的感应磁场计算 为了方便探讨铁磁物质对船舶磁场的影响，本节采用一个重量约 25 t，长宽高为 1.48 m*1.48 m*1.48 m 的立方体的铁磁模型来讨论铁磁物质距离测量平面的磁场变化情况。值得说明的是，本文所分析的磁场均为地球磁场在纵向、横向和垂向下某测量平面的垂向分量磁场。一般来说，船壳对铁磁物质的一定的磁屏蔽影响，本章对此进行简化，暂不考虑该屏蔽效应。铁磁模型重心距离测量平面高度 h 分别为 10 m、12 m、14 m、16 m、18 m 和 20 m，测量平面纵向范围为-50 m到 50 m，横向范围为-10 m 到 10 m。图中铁磁模型的外部环境磁场取地球磁场的垂向磁场和水平磁场最大值。铁磁模型感应磁场Ziz、Zix 取铁磁模型重心正下方纵向直线下的磁场，一般来说，在该直线下的磁场 Ziz 和 Zix 最大；感应磁场 Ziy 取铁磁模型侧边正下方纵向直线下的磁场，在该直线下的磁场 Ziy 最大。图1 铁磁模型感应磁场Ziz曲线 图2 铁磁模型感应磁场Zix曲线 图3 铁磁模型感应磁场Ziy曲线 从图 14 中可以看出，铁磁模型距离测量平面越近，磁场越大。在 h=10 m 时，Ziz=0.108 T、Zix=0.028 T、Ziy=0.0181 T；而在 12 m 时，Ziz、Zix、Ziy 最大值都急速下降一半左右；在 20m 时，各分量最大值下降约为原来的十分之一；另外可以看到，距离对铁磁模型的感应磁场 Ziz 的影响最大。船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 32 图4 铁磁模型感应磁场最大值变化趋势 2.1.2 不同吨位模型的感应磁场计算 为了方便探讨不同吨位铁磁物质对船舶磁场的影响，本节采用三个重量 t 分别约 10 t、20 t、25 t、40 t 和 50 t 的立方体铁磁模型进行计算，其长宽高分别为 1.1 m*1.1 m*1.1 m、1.48 m*1.48 m*1.48 m 以及 1.85 m*1.85 m*1.85 m。距离测量平面为 10 m。计算的磁场均为地球磁场在纵向、横向和垂向下在某测量平面的垂向分量磁场。图5 不同吨位铁磁模型感应磁场Ziz曲线 图6 不同吨位铁磁模型感应磁场Zix曲线 从图 57 可以看出，在同一测量平面吨位越大，感应磁场越大；同时可以看出，磁场最大值随吨位减小等比例下降。2.1.3 船体屏蔽影响计算 一般来说，船体钢板对铁磁物质有一定的磁屏蔽效应，为了方便讨论，本模型在计算时，将铁磁物质放在一个半径为 10 m、长为 100 m 船壳厚度为 12 mm 的半圆钢板中，内部空间无其它钢板结构，仅仅考虑钢板外壳对铁磁物质的屏蔽影响，如图 8 所示。其中，铁磁物质距离船模基线 1 m 米，距离测量平面为 10 m。为了方便计算和比较，铁磁物质相对磁导率仍设置为 200，船壳钢板相对磁导率设置为 120。采用磁场仿真软件计算，将含有船壳和铁磁模型的磁场减去空船壳的磁场，得到铁磁模型在屏蔽下的磁场。图7 不同吨位铁磁模型感应磁场Ziy曲线 图 8 铁磁屏蔽模型 图9 磁屏蔽下铁磁模型感应磁场Zix曲线 图10 磁屏蔽下铁磁模型感应磁场Ziy曲线 图11 磁屏蔽下铁磁模型感应磁场Ziz曲线 从图 911 可以看出，在船壳的屏蔽下，铁磁模型磁场较无钢板屏蔽下磁场会变小。在本节磁环境下，感应磁场各分量的变化为：%91.2/)(121zzzzVVVS%73.14/)(121xxxxVVVS%71.23/)(121yyyyVVVS Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 33 其中 Vx1、Vy1和 Vz1为无屏蔽时的感应磁场各分量 Zix、Ziy 和 Ziz 的值，Vx2、Vy2和 Vz2为有屏蔽时的感应磁场各分量 Zix、Ziy 和 Ziz 的值。可以看出，钢铁屏蔽效应对各感应磁场分量都不相同，其中对 Ziz 分量磁场影响最小。本节只讨论了一个简单的船壳磁屏蔽情况，但在实际工程应用中，船壳钢板结构多样化，对铁磁物质磁屏蔽效应更大，铁磁模型的磁场在实际情况下会相对小一些。3 结果分析结果分析 上章分析了无磁屏蔽和有磁屏蔽下铁磁物质的磁场情况，面对实际多样化的船体结构，铁磁物质磁屏蔽效应各不同，但对 Ziz 分量磁场影响最小。因此，为了在实际工程中便于操作应用，建议对船体的铁磁物质不考虑屏蔽效应，在此基础上提出铁磁物质的建模量化标准。各磁场分量最大值计算结果如下表：表 1 计算结果（磁场单位 T）重量 磁场 10m 12m 14m 16m 18m 20m 10T Ziz 0.045 0.026 0.016 0.011 0.008 0.006 Zix 0.012 0.007 0.004 0.003 0.002 0.001 Ziy 0.007 0.004 0.002 0.001 0.001 0.001 20T Ziz 0.086 0.050 0.031 0.021 0.015 0.011 Zix 0.023 0.013 0.008 0.006 0.004 0.003 Ziy 0.014 0.007 0.004 0.002 0.001 0.001 25T Ziz 0.109 0.063 0.040 0.026 0.019 0.014 Zix 0.029 0.017 0.010 0.007 0.005 0.004 Ziy 0.018 0.009 0.005 0.003 0.002 0.001 30T Ziz 0.127 0.074 0.047 0.031 0.022 0.016 Zix 0.034 0.020 0.012 0.008 0.006 0.004 Ziy 0.022 0.011 0.006 0.004 0.002 0.001 40T Ziz 0.169 0.099 0.062 0.042 0.029 0.021 Zix 0.045 0.026 0.016 0.011 0.008 0.006 Ziy 0.029 0.014 0.008 0.005 0.003 0.002 50T Ziz 0.211 0.121 0.077 0.052 0.036 0.026 Zix 0.056 0.032 0.020 0.014 0.010 0.007 Ziy 0.036 0.018 0.010 0.006 0.004 0.002 根据以上表格，我们