基于有限元的水下航行器腐蚀静电场特性分析

余定峰，耿　攀，徐正喜，陈　涛（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）



基于有限元的水下航行器腐蚀静电场特性分析

余定峰，耿攀，徐正喜，陈涛
（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

摘要：基于电化学腐蚀理论，介绍了通过有限元方法对水下航行器静电场进行仿真建模的方法及过程。通过典型算例分析了水下航行器的静电场分布特性，为基于水下电场特征控制的舰船隐身提供理论基础和数据支撑。

关键词：水下航行器腐蚀静电场有限元

0　引言

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的腐蚀电位不同，以及外加电流阴极保护装置的使用，无论是处于静止还是运动状态，都会在其周围海水中激发电场信号，其中静电场因量级较大、通过特征明显而受到广泛关注。由于海上实船试验成本较高，且易受天气、海况条件影响，难以获取较为完备的数据，迫切需要通过电磁仿真建模手段，掌握水下航行器静电场信号分布特性。

近年来，海水环境中目标腐蚀电场的建模及分析问题，愈来愈成为舰船电磁场应用及防护领域备受关心的课题。文献［1］基于边界元数值方法构建了海水中钢管线的阴极保护数学模型，并采用Matlab计算了均匀电解质中管线的表面电位分布。文献［2］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［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］基于目标静电场的基本特性，进行了水中兵器制导方法研究。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。

上述研究成果对舰船在海水中激发的电场分布特性的建模及分析具有十分重要的价值。本文在此基础上，基于电化学腐蚀理论，通过有限元方法对水下航行器产生的静电场进行仿真建模。

1　水下航行器腐蚀静电场基本原理

为了提高仿真效率，忽略海床影响，采用有限元软件的几何模型处理模块建立海水及水下航行器几何模型，该水下航行器长度约50m，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，水下航行器艉部两侧对称布置1对辅助阳极，通过恒电位仪向辅助阳极施加保护电流I，该电流经海水流回船体，构成电流回路，而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法

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

该腐蚀静电场问题满足如下标量电势方程：

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：

3）船体与海水介质接触表面上，电势满足混合边界条件：

其中，系数α、β需通过电化学测量设备测得的船体材料样品在特定海水电解液中的极化曲线确定。

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。

以某种低碳钢船壳材料为例，给出其样品在电导率为4S/m的海水电解液中测得的极化特性曲线（J-V曲线），如图3所示。

图3　低碳钢样品极化特性曲线

通过线性拟合得到该低碳钢样品的线性极化曲线，采用电流密度矢量和电场矢量之间的关系式J=σ E，可得到电势V与法向电场（-En）的关系，从而得到船体与海水介质接触表面上，电势满足的混合边界条件中的系数α和β的值。

3　水下航行器腐蚀静电场特性分析

针对图1所示海水及水下航行器几何模型，设海水电导率为σsea=4S/m，辅助阳极外加电流I=20 A，船体艉部锥体表面无防腐涂层或涂层破损，通过有限元方法进行仿真计算，给出水下航行器周围电势及静电场分布特性。

根据图4中电势分布结果进行分析可知，船体下方一定深度处的电势分布沿艏艉线呈现对称性，由于该水下航行器艏部和舯部涂有防腐涂层或消声瓦等覆盖层，绝缘特性较好，因此电势变化较小，而艉部电势则形成明显的正负峰。

由于水下电势的分布不均匀，将不可避免地产生静电场信号。通过仿真得到该水下航行器下方5m处静电场x、y、z三个分量的电场分布云图，如图5～图7所示。

图4　船体龙骨下方5m电势分布

图5　船体龙骨下方5m电场x分量分布

图6　船体龙骨下方5m电场y分量分布

图7　船体龙骨下方5m电场z分量分布

由静电场分量的分布云图可知，纵向分量和垂向分量沿艏艉线对称分布，正峰位于螺旋桨附近，负峰位于艉部前段；横向分量左右呈正负峰。

在船体下方5m、正横距1m处选取一条长度为60m的测量线，通过仿真计算得到该测量线上的静电场x、y、z三个分量的分布曲线，如图8所示。

图8　龙骨下方5m、正横距1m处静电场分布曲线

由静电场分布曲线结果分析可知，水下航行器下方静电场的三个分量均具有明显的正、负峰，且峰值对应螺旋桨和船体表面裸露区域。当辅助阳极外加电流20 A时，静电场峰值达到几十mV/m，量级可观，需采取一定的措施加以控制。

4　结语

本文基于电化学腐蚀理论，通过有限元方法对水下航行器产生的静电场进行仿真建模，并给出典型算例，分析了水下航行器的静电场分布特性，可为舰船电场特性研究提供建模方法和指导，为基于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。

参考文献：

［1］胡舸，向斌，张胜涛.MATLAB在海底管线阴极保护电场计算中的应用［J］.海洋科学，2007，31（12）：34-37.

［2］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.

［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］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.

［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 Corrosion Related Static Electric Field of Underwater Vehicle by Finite Element Method

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

Abstract:Based on the theory of electro-chemical corrosion，a method and process are introduced to simulate the static electric field of underwater vehicle.Several typical examples are provided to analyze the distribution property of the static electric field，which may provide theoretical basis and data support for the stealth technology of ship based on underwater electric signature control.

Keywords:underwater vehicle； corrosion； static electric field； finite element method

中图分类号：TM153

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0023-03

收稿日期：2016-1-10

作者简介：余定峰（1986-），男，博士，高工，研究方向为舰船电磁场应用及防护。