基于有限元仿真的水下航行器静电场影响因素分析

余定峰，耿 攀，徐正喜，陈 涛

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

基于有限元仿真的水下航行器静电场影响因素分析

余定峰，耿 攀，徐正喜，陈 涛

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

基于有限元方法和电极动力学理论，对水下航行器腐蚀静电场进行仿真模拟，考察了水下航行器的静电场分布特性，并对海水电导率和辅助阳极数量、位置及输出电流强度等多种影响因素进行对比分析，为基于电磁建模的舰船静电场特征分析和隐身优化设计提供理论参考。

水下航行器 静电场 有限元 电化学

0 引言

近年来，海洋环境中舰船目标腐蚀相关电磁场的建模及分析问题，日益成为舰船电磁场应用及防护领域颇为关心的课题[1～2]。

运行于海洋环境中的水下航行器，由于船体、螺旋桨等主要组成部件在海水电解液中不可避免地发生腐蚀作用，腐蚀电位的不同会导致产生静电场信号，而外加电流阴极保护装置的广泛使用，进一步增大水下航行器在其周围海水中激发的静电场信号，该静电场因量级较大、通过特征明显而受到广泛关注。文献[3]基于ANSYS软件，建立了舰船的3-D 有限元模型，分析了舰船在周围海水中形成的静电场分布状况。文献[4]对装有外加电流阴极保护（ICCP）系统的船舶进行水下静电场的边界元建模，并分别对平时和战时两种情况下船舶ICCP 系统的电流输出进行优化以实现船舶的静电场隐身。文献[5]采用空气-海水-海床3层解析模型对静态电偶极子在海水区域中产生的标量电位及静态电场分布特征进行了数值计算和分析。文献[6]分析了船舶静态电场在无源区域中的分布，提出了一种新的船舶静态电场深度换算的迭代方法，可实现海水中船舶静态电场向较浅深度的换算。

由于在海上对实船进行电场测量试验的成本较高，且易受环境条件限制，难以获取较为完备的数据，迫切需要借助电磁建模方法，掌握水下航行器静电场信号分布特性，分析海水电导率和辅助阳极数量、位置及输出电流强度等因素对水下航行器静电场信号的影响，为实现舰船电场隐身优化设计提供技术支撑。

1 水下航行器腐蚀静电场产生原理

采用有限元软件的几何建模工具建立海水及水下航行器几何模型，该水下航行器长度约50 m，如图1所示。

图1 水下航行器产生腐蚀静电场基本原理

基于船体腐蚀防护需求，水下航行器一般装有外加电流阴极保护装置，假设艉部两侧对称布置2对辅助阳极，分别通过恒电位仪向辅助阳极施加保护电流I1和I2，该电流经海水流回船体，构成电流回路，由于该回路中的直流电流会在船体周围产生静电场，并按一定的衰减规律在水下航行器周围形成特定的电场分布。

2 腐蚀静电场的有限元仿真

2.1 有限元方法基本原理

通过对海水中水下航行器产生腐蚀静电场的原理进行分析，给出水下航行器腐蚀静电场的有限元模型，如图2所示。

图2 水下航行器腐蚀静电场的有限元模型

导体海水中的电势与电流密度分布满足泊松方程，不考虑外加电流密度和外加电流源，则可得到如下偏微分方程：

且满足如下边界条件：

1）海水与空气边界处，电势满足：

2）辅助阳极处外加电流源I，其表面电流密度满足：

2.2 计入实测极化曲线的电极动力学

在船体（电子导体）和海水介质（电解液/离子导体）的接触边界面上应用电极动力学，利用实测极化曲线，可得到如下混合边界条件或内部电流密度边界条件：

其中，Ji(V)代表一条极化曲线，反映船体和海水接触面上的电流-电位关系，通过电化学测量设备即可测得船体材料样品在特定海水电解液中的极化曲线。

船体材料选用钢，螺旋桨材料选用镍铝青铜，海水采用电导率为σsea的均匀各向同性媒质表征。由于水下航行器表面一般都涂有防腐涂层，或消声瓦等绝缘特性较好的覆盖层，因此，大部分船体表面采用切向电场边界条件模拟，只在少数绝缘特性较差处或涂层破损处表面采用混合边界条件模拟。

以某种低碳钢材料为例，测得其样品在电导率为4 S/m的海水电解液中的极化曲线（J-V曲线），如图3所示。

图3低碳钢样品极化曲线

综合有限元方法和电极动力学混合边界条件，并采用合适的网格细分求解区域，即可得到水下航行器船体周围的水下静电场分布特性。

3 水下航行器腐蚀静电场影响因素分析

由于水下航行器腐蚀静电场分布与海水电导率和辅助阳极位置、数量及输出电流强度多种因素有关，下面通过典型算例对比分析初步给出其影响规律。

1）海水电导率影响

针对图1所示海水及水下航行器几何模型，辅助阳极对1-1′不工作，辅助阳极对2-2′外加电流IICCP= 20 A，船体艉部锥体表面无防腐涂层或涂层破损，考察海水电导率σsea分别取2 S/m、3 S/m和4 S/m三种情形，通过有限元方法进行仿真计算，以船体龙骨下方5 m深度处静电场x分量为例，给出水下航行器静电场的分布特性，如图4所示。

图4 海水电导率对船体下方静电场分布的影响

根据算例结果分析可知，船体艉部区域静电场呈现明显的正负峰特征，三种不同电导率情形对应静电场分布曲线的变化趋势一致，但电场强度随海水电导率增大而明显减小。因此，海水电导率是影响水下航行器静电场特性的重要参数，需通过相关理论及试验研究掌握不同海洋环境的海水电导率特征，为水下航行器静电场特征的准确建模提供数据支撑。

2）辅助阳极输出电流强度影响

船体艉部锥体表面无防腐涂层或涂层破损，海水电导率σsea= 4S/m，辅助阳极对1-1′不工作，考察辅助阳极对2-2′外加电流IICCP= 10 A、15 A 和20 A三种情形，以船体龙骨下方5 m深度处静电场x分量为例，给出水下航行器静电场的分布特性，如图5所示。

根据算例结果分析可知，辅助阳极输出三种不同电流情形对应静电场分布曲线的变化趋势一致，但电场强度随阳极输出电流强度的增大而明显增大。因此，外加电流阴极保护装置辅助阳极输出电流是影响水下航行器静电场特性的重要参数，可通过对阳极输出电流强度进行实时监测，结合静电场的有限元模型，实现水下航行器静电场特征的实时监测及预报。

3）辅助阳极数量、位置影响

船体艉部锥体表面无防腐涂层或涂层破损，海水电导率σsea= 4 S/m，考察辅助阳极对1-1′外加电流IICCP= 20 A、辅助阳极对2-2′不工作，辅助阳极对2-2′外加电流IICCP= 20 A、辅助阳极对1-1′不工作，辅助阳极对1-1′、2-2′同时工作且外加电流IICCP=10 A三种情形，以船体龙骨下方5 m深度处静电场x分量为例，给出水下航行器静电场的分布特性，如图6所示。

图5辅助阳极电流对船体下方静电场分布的影响

图6阳极数量、位置对船体下方静电场分布的影响

根据算例结果对比分析可知，辅助阳极的数量及布设位置对船体下方静电场强度产生较大影响，且影响规律较为复杂。可以考虑将船体满足腐蚀防护条件作为约束条件，将船体周围电流或静电场强度作为优化目标，通过优化算法对阳极数量及布设位置进行合理的优化设计，实现水下航行器静电场特征的有效控制。

4 结语

本文综合运用有限元方法和电极动力学理论，对水下航行器腐蚀静电场进行仿真模拟，分析了水下航行器的静电场分布特性及影响因素，为基于电磁建模和电场特征控制的舰船电场隐身技术研究提供理论和数据支撑。

[1] 余定峰, 耿攀, 杨勇等. 基于时谐偶极子模型的舰船轴频电场特性分析[J]. 船电技术, 2014, 34(10)∶11-14.

[2] 张华, 王向军, 单潮龙等. 基于目标静电场的水中兵器制导方法研究[J].电子学报, 2013, 23(3)∶470-474.

[3] 卞强, 张民, 柳懿等. 一种基于ANSYS 的舰船静电场分析方法[J]. 海军工程大学学报, 2010, 22(6)∶65-69.

[4] 李俊, 包中华, 龚沈光等. 优化ICCP 系统的船舶静电场隐身研究[J]. 海军工程大学学报, 2011, 23(1)∶67-72.

[5] 陈聪, 李定国, 龚沈光. 浅海中静态电偶极子电场分布的镜像法研究[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2010, 34(4)∶ 716-720.

[6] 胡英娣, 龚沈光, 闫永贵. 一种新的船舶静态电场深度换算方法[J]. 海军工程大学学报, 2013, 25(5)∶16-20.

Analysis on Influence Factors of Electrostatic Field of Underwater Vehicle by Finite Element Simulation

Yu Dingfeng, Geng Pan, Xu Zhengxi, Chen Tao
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

Based on the finite element method and electrode kinetics theory, simulation of the corrosion related static electric field of underwater vehicle is performed. The distribution of electrostatic field of underwater vehicle is investigated, with several influence factors analyzed, such as seawater conductance, or the number, position, output electric current of anode. It may provide theoretical reference for the electromagnetic modeling based characteristic analysis and stealth optimization design for ship's electrostatic field.

underwater vehicle; electrostatic field; finite element method; electrochemistry

TM153

A

1003-4862（2015）08-0006-03

2015-04-28

余定峰（1986-），男，工程师。研究方向：舰船电磁场应用及防护。