磁性船模制作中薄壳铁磁材料的等效替代研究

刘胜道，周国华，刘月林，陈瀚斯



磁性船模制作中薄壳铁磁材料的等效替代研究

刘胜道，周国华，刘月林，陈瀚斯

(海军工程大学电气工程学院，武汉 430033)

针对船模制作过程中舰用薄钢板采购费时、价格昂贵等问题，研究了一种被称为“磁导率-厚度积成比例”的方法。仿真分析结果表明，当两种薄壳体材料的磁导率-厚度积相等时，它们制作出的船模的感应磁场是相等的，因而这两种薄壳体材料可相互替代，且替代后不会改变壳体内部铁磁设备的磁场分布，不会改变消磁绕组通电磁场及绕组通电使舰艇铁磁物质磁化后所产生的磁场分布。这些结论充分说明，在磁性船模制作中采用普通薄钢板来等效替代舰用薄钢板是完全可行的，这将极大地提高磁性船模的制作效率，降低制作成本。

感应磁场 磁性船模 薄壳 铁磁材料

0 引言

舰艇磁场通常是指舰艇在其周围空间产生的磁场，是各种磁性探测设备和水中兵器用于探测和攻击的主要物理场。为抵御水中磁性兵器攻击和空中磁性探测，必须对舰艇实施磁性防护措施，而准确掌握舰艇感应磁场是实施磁性防护措施的重要前提[1]。

对于新型号的舰艇，需要制作舰艇磁性模型研究其感应磁场；对于已服役的舰艇，也有关于其感应磁场、消磁系统绕组、消磁方法与工艺等许多问题需要进行试验研究。尽管实船试验能直接解决问题，且非常直观，但工作量大，消耗多，受气候、场地等客观因素制约，实施起来难度很大。此外，难以控制在某单一条件下进行试验。用磁性船模来研究有关的消磁技术问题，其优点是经济，不受自然条件的制约，还可排除若干其它因素而控制在某特定条件下进行测试。因此，磁性船模被广泛应用。

要使实船与船模之间感应磁性磁场相似，须满足的相似条件之一是几何相似[2]，即船模的长、宽、高、线型、钢板厚度以及测量点坐标都应与实船对应尺度保持相同的比例。例如实船钢板厚度为12mm，如果按1：30制作船模，则船模钢板厚度仅为0.4mm。市场上舰用钢材本来就较为稀缺，而且即使能买到也是厚板，还需寻找愿意进行小批量轧制的厂家将其轧制成薄板，因此在船模制作过程中，舰用薄钢板的采购是相当费时的，而且相比于普通钢板，舰用薄钢板也非常昂贵。

本文研究了一种被称为“磁导率-厚度积成比例”的方法，用市面上的普通薄钢板来代替舰用薄钢板，只需普通薄钢板的厚度与其磁导率乘积、舰用薄钢板的厚度与其磁导率乘积这两者成比例即可，这将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相似理论

1.2薄壳铁磁材料

由相似理论可知，当制作实船与船模比例为1：k的磁性船模时，如果船模采用与实船相同的材料（即磁化率或磁导率相等），则在相同外磁场作用下，距离船模r/k处的感应磁场与距离实船r处的感应磁场相等。

2 仿真分析

2.1磁导率-厚度积相等的薄壳体磁场仿真分析

用两种不同的材料来制作同一个直径为2米的球壳，球壳已用TrueGrid®软件进行了网格剖分，如图1所示。为方便观察，图中只示出了球壳及其网格的一半。

图1 球壳及其网格示意图

两种材料的参数如下：

材料1：相对磁导率150，壳体厚度0.01 m；

材料2：相对磁导率300，壳体厚度0.005 m。

用自行开发的磁场积分方程法计算软件包Mag_IEM分别计算了这两种材料制作的球壳在地磁场（34500 nT，0，0）作用下在正下方3米深度处平行于地磁场方向的直线上产生的感应磁场，计算结果如图2所示。

图2 两种材料制作的球壳产生的磁场对比

从图中可以看出，两种材料制作的球壳产生的磁场曲线吻合得非常好，这说明当两种薄壳体材料的磁导率-厚度积相等时，它们制作出的模型产生的感应磁场是相等的。

2.2内部铁磁设备影响仿真分析

采用其它铁磁材料替代实船壳体材料后，是否会改变原壳体内部铁磁设备产生的磁场分布呢？

对于3.1中由两种不同材料制作的球壳，在其内部中心放置一个直径为1.4米的铁磁球体，球体材料的相对磁导率为500。利用TrueGrid®软件进行网格剖分，如图3所示。为方便观察，图中只示出了球壳内含球体及其网格的一半。

图3 球壳内含球体及其网格示意图

用自行开发的磁场积分方程法计算软件包Mag_IEM分别计算了两种材料的球壳内含同种材料球体（分别称为模型1和模型2）在地磁场（34500 nT，0，0）作用下在正下方3米深度处平行于地磁场方向的直线上产生的感应磁场，计算结果如图4所示。

图4 两种材料球壳内含同材料球体产生的磁场对比

从图中可以看出，两种材料球壳内含同材料球体产生的磁场曲线吻合得非常好，这说明采用其它铁磁材料替代实船壳体材料后，不会改变原壳体内部铁磁设备产生的磁场分布。

2.3消磁绕组影响仿真分析

制作磁性船模时，除了考虑船壳、船内的各种铁磁设备外，还必须模拟舰艇消磁绕组。考虑通电消磁绕组的磁场时，必须同时考虑由于绕组通电使舰艇铁磁物质磁化后所产生的磁场。那么，采用其它铁磁材料替代实船壳体材料后，是否会改变消磁绕组通电磁场及绕组通电使舰艇铁磁物质磁化后所产生的磁场分布呢？

对于3.2中制作的模型，在其内部中心的xoy平面上布置一个直径为1.92 m的圆形绕组，绕组的安匝量取为100。利用TrueGrid®软件进行网格剖分，如图5所示。为方便观察，图中只示出了球壳内含球体及其网格的一半。

图5 球壳内含球体、绕组及其网格示意图

用自行开发的磁场积分方程法计算软件包Mag_IEM分别计算了两种材料的球壳内含同种材料球体和相同绕组（分别称为模型1和模型2）在地磁场（34500 nT，0，0）作用下在正下方3米深度处平行于地磁场方向的直线上产生的感应磁场，计算结果如图6所示。

图6 两种材料球壳内含同材料球体和相同绕组产生的磁场对比

从图中可以看出，两种材料球壳内含同材料球体和相同绕组产生的磁场曲线吻合得非常好，这说明采用其它铁磁材料替代实船壳体材料后，不会改变消磁绕组通电磁场及绕组通电使舰艇铁磁物质磁化后所产生的磁场分布。

3 结论

相似理论指出，要使实船与船模之间感应磁性磁场相似，须满足的相似条件之一是几何相似，即船模的长、宽、高、线型、钢板厚度以及测量点坐标都应与实船对应尺度保持相同的比例。针对船模制作过程中舰用薄钢板采购费时、价格昂贵等问题，本文研究了一种被称为“磁导率-厚度积成比例”的方法，通过仿真分析得到了下述结论：

1）当两种薄壳体材料的磁导率-厚度积相等时，它们制作出的模型产生的感应磁场是相等的；

2）采用其它铁磁材料替代实船壳体材料时，只要两种薄壳体材料的磁导率-厚度积相等，将不会改变原壳体内部的铁磁设备所产生的磁场分布；

3）采用其它铁磁材料替代实船壳体材料时，只要两种薄壳体材料的磁导率-厚度积相等，将不会改变原壳体内部的消磁绕组通电所产生的磁场分布，也不会改变消磁绕组通电使舰艇铁磁物质磁化后所产生的磁场分布。

以上三个结论表明，在进行磁性船模制作时，船模中需要使用薄壳铁磁材料的部分均可以使用普通薄钢板进行替代，只需在替代时遵循“磁导率-厚度积成比例”的原则即可，这样可极大地提高磁性船模的制作效率，降低制作成本。下一步将采用“磁导率-厚度积成比例”的方法制作某型舰艇的磁性船模，并通过磁场积分方程法计算软件包Mag_IEM的仿真分析和船模磁场的实际测量进行磁场等效的验证。

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

[2] 刘胜道，赵文春，周国华等．舰艇磁场数值计算[M]．武汉：海军工程大学出版社, 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

国家自然科学基金资助项目（No. 51377165）

刘胜道（1972-），男，副教授，硕士生导师。研究方向：电磁环境与防护技术。E-mail: 18986151073@189.cn