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        直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算方法研究

        2017-02-02 06:45:23周煒昶王嘉賓李豐渫郭成豹
        船電技術(shù) 2017年12期
        關(guān)鍵詞:退磁消磁艦船

        高 強(qiáng),周煒昶,王嘉賓,李豐渫,郭成豹

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        直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算方法研究

        高 強(qiáng)1,周煒昶2,王嘉賓2,李豐渫2,郭成豹2

        (1 海軍駐武漢712所軍事代表室, 武漢 430064,2 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢 430033)

        為了實(shí)現(xiàn)直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算分析,提出了一種船體電阻仿真計(jì)算方法,編寫(xiě)了計(jì)算船體電阻的程序。對(duì)一些典型艦船的船體電阻進(jìn)行了仿真計(jì)算,并與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較。數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果比較表明,所提出的直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算方法能較好地計(jì)算船體電阻,驗(yàn)證了所提出計(jì)算方法的可行性。所得結(jié)果對(duì)直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算具有一定的理論指導(dǎo)意義。

        直接通電式消磁;船體電阻;船體

        0 引言

        傳統(tǒng)的艦艇固定磁性處理是由工作線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)提供能量來(lái)改變艦艇的固定磁性,從而達(dá)到消除艦艇固定磁性的目的[1,2]。固定消磁按工作線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向可以分為垂向消磁、縱向消磁和橫向消磁。這三種消磁方法都是由給工作線圈通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)作為工作磁場(chǎng)的,可以稱作旁通式消磁。

        還有一種退磁方法是通過(guò)直接在船體上從船艏到船艉通工作電流來(lái)產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。該工作電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)檠卮w呈周向,根據(jù)綜合消磁原理中工作線圈磁場(chǎng)方向可任意的結(jié)論,利用船體中該工作電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能量也能達(dá)到退磁的目的,稱作直接通電式消磁[2]。直接通電式消磁與旁通式消磁相比有以下優(yōu)點(diǎn)[3,4]:1)直接通電式消磁直接在船體上通電,工作時(shí)的交變磁場(chǎng)不受退磁因子的影響,電磁場(chǎng)能量利用率高,退磁效果好;2)直接通電式消磁不纏繞旁通式消磁的工作線圈,大大節(jié)省人工和退磁時(shí)間,可以節(jié)約經(jīng)費(fèi);3)被消磁艦船易于機(jī)動(dòng),特別適合緊急狀態(tài)下對(duì)大量艦船進(jìn)行退磁;4)直接通電式消磁通電時(shí),交變磁場(chǎng)主要在船殼內(nèi)傳播,不會(huì)泄露在船艙內(nèi),更不會(huì)影響艦艇上的儀器。

        為了實(shí)現(xiàn)直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算,本研究提出了一種直接通電式消磁的船體電阻仿真計(jì)算方法,并編寫(xiě)計(jì)算船體電阻的程序。對(duì)幾種典型艦船的船體電阻進(jìn)行仿真計(jì)算,通過(guò)數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果比較的方法,驗(yàn)證所提出直接通電式消磁的船體電阻仿真計(jì)算方法的可行性。

        1 直接通電式消磁的工作原理

        船體是一個(gè)巨大的鐵磁物體,要消除它具有的固定磁性,對(duì)船體施加磁飽和以上的交變磁場(chǎng),逐漸減小交變磁場(chǎng)幅值至零,從而打亂船體內(nèi)部磁疇的方向,使之對(duì)外不產(chǎn)生磁場(chǎng)。如圖1所示,直接通電式消磁通過(guò)直接在船體上從船艏到船艉通工作電流來(lái)產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。

        圖1 直接通電式消磁方法示意圖

        1)交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式

        旁通式消磁由艦艇外部繞制的通電線圈來(lái)提供工作磁場(chǎng),而直接通電式消磁直接在船體上通工作電流,利用船體鐵磁材料中工作電流的電磁場(chǎng)能量來(lái)達(dá)到退磁目的,如圖2所示。

        圖2 直接通電式消磁方法原理圖

        2)交變磁場(chǎng)電磁能量的利用率

        傳統(tǒng)的旁通式消磁在實(shí)施過(guò)程中,工作磁場(chǎng)容易受到退磁因子的制約,會(huì)大量泄露到船體外部。而直接通電式消磁的磁場(chǎng)主要在船體內(nèi)傳播。相對(duì)于旁通式消磁,直接通電式消磁的電磁能量利用率很高。

        2 直接通電式消磁的船體電阻仿真計(jì)算

        由于艦船的船體結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,對(duì)艦船結(jié)構(gòu)做精確的仿真工作量巨大,且對(duì)于計(jì)算直接通電式消磁的船體電阻來(lái)說(shuō),對(duì)艦船作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化更為實(shí)用。因此,可將艦船舯部等效為一個(gè)圓柱殼體的鐵磁物體,艏艉各等效為一個(gè)圓錐殼體去除頂部后的圓臺(tái)殼體,且設(shè)船體的鋼材厚度和電阻率均相同。

        設(shè)某一艦船的船體壁厚()均為8 mm。中間圓柱殼直徑(1)為12 m,長(zhǎng)度(1)為80 m;兩端的圓錐殼體直徑和1相同,也為12 m,長(zhǎng)度(2、3)為10.7m;圓錐殼體去除的頂部長(zhǎng)度(4、5)為0.7m,去除的頂部直徑(2、3)為0.8m(綜合考慮電纜與船體的連接方式)。艦船等效物如圖3所示。船鋼電阻率取1.6′10-7Ω/m。

        圖3 艦船的等效物體

        根據(jù)等效物的形狀,可以將船體電阻分為三個(gè)部分來(lái)計(jì)算。中間圓柱殼體的電阻為1:

        兩端的圓臺(tái)殼體的電阻2、3分別為:

        艦船等效物體的總電阻為:

        然而,實(shí)際中上述公式所需的船體等效物體參數(shù)并不是已知的,如果進(jìn)行實(shí)船測(cè)量就會(huì)增加工作量,大大浪費(fèi)人力和時(shí)間。因此,從船體的已知參數(shù)去推算所需的船體等效物體參數(shù)更為合適。

        一般一艘船已知的系數(shù)有:設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)S(m);型寬(m);型深(m);吃水(m);排水量(t);空船重量0(t);載重量(t);方形系數(shù)CH;鋼材比重C;鋼材電阻率(Ω/m)

        則船體等效物總長(zhǎng)1與設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)S相等,中間圓柱殼直徑1與型寬相等。

        空船重量0可分為船殼重量s,機(jī)電設(shè)備重量m,木作舾裝重量w三大項(xiàng)估算[6]。木作舾裝重量w可按下式粗略計(jì)算

        這樣艦船的鋼材重量可按下式計(jì)算

        (6)

        船體鋼材重量與船舶種類很有關(guān)系。一般,貨船的鋼材重量約為排水量的四分之一。

        船殼重量可以按下式估算

        其中橫梁、艙壁等橫向船體結(jié)構(gòu)并不導(dǎo)電,可以認(rèn)為這些船體結(jié)構(gòu)占船體重量的四分之一,因此參與導(dǎo)電的船殼重量約為

        (8)

        式中系數(shù)s1=0.0195,方形系數(shù)CB表示船舶在水線以下的總體積與長(zhǎng)方形LBT體積之比。它表征船體水下部分的豐滿程度。通常,方形囤船的CB接近于1,干貨船約為0.7,快速船較小約為0.5。

        則參與導(dǎo)電的艦船鋼材體積可按下式計(jì)算

        如圖4所示,設(shè)船體等效物體兩端圓臺(tái)等高,且高與設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)S成比例,比例系數(shù)為a。船體等效物體兩端圓臺(tái)頂部直徑相同,且頂部直徑與型寬成比例,比例系數(shù)為b。則圓錐殼體去除的頂部直徑(2、3)、頂部長(zhǎng)度(4、5)可按下式計(jì)算

        (10)

        則圓錐長(zhǎng)度(L2、L3)為

        (12)

        圖4 艦船的等效物體

        因?yàn)榇w厚度與船體尺寸相比小得多,因此可以認(rèn)為船體等效物體的內(nèi)外表面積相同。則船體等效物體鋼材表面積可按下式計(jì)算

        設(shè)船體等效物的鋼材厚度均勻,則鋼材厚度可按下式計(jì)算

        (14)

        由此,計(jì)算船體等效物電阻的所有所需參數(shù)都可以由艦船已知參數(shù)推算得到。

        已知某干貨船的參數(shù)如表1所示[6]:

        表1 某干貨船體已知參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

        由式(7)可以計(jì)算得到船殼重量為

        由式(8)可以計(jì)算得到參與導(dǎo)電的船殼重量為

        由式(9)、(10)、(13)和(14)可以計(jì)算得到船殼等效物平均厚度為35.7 mm。由此可以最終計(jì)算得到該干貨船的船體電阻為1.6e-05 Ω。

        3 典型艦船的船體電阻計(jì)算

        利用上述方法,對(duì)幾種艦船的電阻進(jìn)行仿真計(jì)算,并通過(guò)與實(shí)際測(cè)量的電阻相比較,驗(yàn)證該方法的可行性。

        3.1 某型艦船電阻仿真計(jì)算

        已知該型艦船的參數(shù)如表2所示[6]:

        表2 某型艦船體已知參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

        由式(7)可以計(jì)算得到船殼重量為

        由式(8)可以計(jì)算得到參與導(dǎo)電的船殼重量為

        由式(9)、(10)、(13)和(14)可以計(jì)算得到船殼等效物平均厚度為24 mm。由此可以最終計(jì)算得到該艦船的船體電阻為2.9e-05 Ω。

        3.2 另一型艦船電阻仿真計(jì)算

        已知該型艦船的參數(shù)如表3所示[6]:

        表3 另一型艦船體已知參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

        由式(7)可以計(jì)算得到船殼重量為

        由式(8)計(jì)算得到參與導(dǎo)電的船殼重量為

        由式(9)、(10)、(13)和(14)可以計(jì)算得到船殼等效物平均厚度為11.2 mm。由此可以最終計(jì)算得到該艦船的船體電阻為4.0e-05Ω。

        3.3 某磁性船模電阻仿真計(jì)算

        已知該船模的參數(shù)如表4所示[7、8]:

        表4 磁性船模船體已知參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

        由式(7)可以計(jì)算得到船殼重量為

        由式(8)可以計(jì)算得到參與導(dǎo)電的船殼重量為

        由式(9)、(10)、(13)和(14)可以計(jì)算得到船殼平均厚度為0.3 mm。由此可以最終計(jì)算得到該磁性船模的船體電阻為0.002 Ω。

        4 結(jié)論

        直接通電式消磁直接在船體上通電,工作電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)檠卮w呈周向,工作時(shí)的交變磁場(chǎng)不受退磁因子的影響,電磁場(chǎng)能量利用率高。直接通電式消磁不需要繞制工作線圈,大大節(jié)省人工和退磁時(shí)間。同時(shí),直接通電式消磁的交變磁場(chǎng)主要在船殼內(nèi)傳播,不會(huì)泄露到船艙內(nèi),更不會(huì)影響到艦船上的儀器。本文提出了一種直接通電式消磁的船體電阻仿真計(jì)算方法,并編寫(xiě)了相關(guān)的程序,分別對(duì)幾種艦船的船體電阻進(jìn)行了仿真計(jì)算。數(shù)值仿真結(jié)果表明,所提出的船體電阻仿真計(jì)算方法能較好的計(jì)算各船體電阻,驗(yàn)證了所提出直接通電式消磁船體電阻仿真計(jì)算方法的合理性。研究結(jié)果對(duì)直接通電式消磁的船體電阻計(jì)算具有一定的參考意義。

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        Simulation Calculation of the Hull’s Resistance for the Current-through Demagnetization

        Gao Qiang1, Zhou Weichang2, Wang Jiabing2, Li Fengxie2, Guo Chengbao2

        (1. Navel Representatives Office of 712 Research Institute, Wuhan 430064 China; 2. School of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

        TM153

        A

        1003-4862(2017)12-0001-04

        2017-09-15

        國(guó)家自然科學(xué)基金(51277176),海軍工程大學(xué)自主立項(xiàng)課題資助

        高強(qiáng)(1985-),男,博士研究生。研究方向:電力電子及電氣傳動(dòng)。E-mail: gq04@163.com 郭成豹(1975-),男,副教授,博士。研究方向:船舶消磁、電磁場(chǎng)數(shù)值仿真。

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