應力對潛艇磁場的影響研究

高俊吉，張 樹，周國華

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應力對潛艇磁場的影響研究

高俊吉，張 樹，周國華

（海軍工程大學，武漢430033）

針對潛艇上浮下潛過程中，在水下不同深度處水壓對潛艇磁場影響的問題，從磁應力能角度出發，分析了潛艇內部應力與外部磁場間的關系，并用氣壓代替水壓進行了潛艇內部應力與外部磁場間關系的船模測量實驗。理論分析和實驗結果表明：潛艇模型固定磁場和感應磁場隨著壓力的增加而增加。該結論為潛艇磁隱身設計和磁隱身水平的提高提供了重要參考。

水壓 磁應力能 感應磁場 固定磁場

0 引言

潛艇感應磁場是在地磁場的作用下形成的，因此習慣上認為地磁場決定了潛艇感應磁場的強弱[1]，而其他因素對潛艇磁場的影響很小[2]。但有一個重要因素是不可忽略的，即潛艇上浮下潛過程中，在水下不同深度處，水壓的變化對潛艇應力的影響，應力的變化進而導致潛艇磁場的變化。

潛艇磁性可分為感應磁性和固定磁性，潛艇在下潛時艇殼所受水壓會急劇的增加，因而內部的應力也將急劇增加，從而使得艦船的感應和固定磁場發生很大的變化。由于當前磁性探潛能力突飛猛進，應力對潛艇磁場的影響嚴重威脅到了潛艇的生存能力。本文從理論上分析了物體磁場與內部應力之間的關系，并通過實驗測量了潛艇感應磁場和固定磁場與內部應力間的關系。

1 磁致伸縮與磁應力能

物體在磁場中磁化時，在磁場方向會伸長或縮短，這稱為磁致伸縮[3]。鐵物質隨著磁場強度增加而伸長的。磁性材料的伸縮比（伸長或縮短數和原長之比）是隨著磁場強度的增加而增加，最后停止伸縮，即伸縮達到飽和，各種材料的飽和伸縮比是一定的數值，稱為磁致伸縮系數。物體磁化時，不但在磁化方向會伸長（或縮短），在偏離磁化方向的其他方向也同時伸長（或縮短），但偏離增大，伸長比（或縮短比）逐漸減低，到了接近于垂直于磁場的方向，物體反要縮短（伸長）。正磁致伸縮是物體在磁化方向伸長，在垂直于磁化方向縮短，負磁致伸縮是物體在磁化方向縮短，在垂直于磁化方向伸長。

磁性物體在磁化時要發生伸縮，如果受到限制而不能伸縮時，物體中就會產生應力。應力是物體內部各部分之間的相互作用力，即拉伸力或壓縮力。應力是以單位面積上所受的力來表示它的強度。當物體磁化要伸長卻受限制不能伸長時，則物體內部發生的是壓縮力。而磁化時要縮短卻受限制不能縮短，內部就發生拉伸力。物體內部的應力也可以由加在它外部的拉力或壓力產生。

當磁性物體因磁化而產生伸縮，同時由于各種原因發生應力，那么它內部就有磁應力能。磁應力能的表達式為：

物質結構最穩定的狀態是它的自由能最低的狀態，所以當物體被磁化時，在磁應力能低的方向上磁化應該是更加容易的。從上式來看，如果為正值時，時能量最小，時能量最大；如果為負值時，時能量最大，時能量最小。由此可見應力會使材料發生一種各向異性，稱為應力各向異性。

2 應力對磁化方向的影響

由前面分析可知內部應力對物體的磁化是有影響的，可以用下面的圖示來說明應力對磁化方向的影響。

由上面的分析可知，當外磁場沿著磁應力能最低的方向磁化時，磁化特別容易，因為這時應力已使磁化矢量作平行于外磁場或反平行于外磁場的方向處排列。磁化過程只需反平行方向的反一個方向即可，這時磁應力能保持不變，故磁場容易。當外磁場沿磁應力能最高的方向上磁化時，磁化特別困難，因為應力使作垂直于外磁場的方向排列。磁化過程中要使原來垂直于的方向轉到和一致的方向，該過程中磁應力能從最低升至最高，故磁化困難。

下面將分析鐵磁物質在有應力作用下的磁化情況。鐵磁物質中如果有應力，就會發生應力各向異性。此時若其他因素可忽略，當有外磁場作用時，只需考慮磁場的靜磁能和應力引起的磁應力能。磁化矢量的轉動位置取決于兩個能量的平衡。

外磁場的靜磁能為

磁應力能為

3 潛艇磁場與應力的關系

對于潛艇而言，當潛艇下潛時會受到較強的水壓，為了弄清楚水壓對潛艇磁場的影響，需對潛艇下潛時的受力進行分析，簡單的潛艇受力結構圖如圖3所示。

圖中艇殼外部的箭頭代表水壓的方向，艇殼內部的箭頭代表內部應力的方向，和代表潛艇橫向的隔板，代表潛艇縱向的隔板。由于潛艇主要由板材構成，根據磁學的基本知識可知，板材等薄板結構在垂直于板面的方向退磁非常高，因而可不用考慮垂直于板材方向的磁化，可以認為只有沿板材方向的磁化。從圖3中可看出隔板等對潛艇磁場影響較大的結構，其內部應力方向為正，由于其主要由鋼材做成，也為正，此時板材磁化可以僅考慮沿板材方向的磁化，因而潛艇的磁化屬于圖1中（a）所示的情況，即隨著潛艇下潛深度的增加，水壓不斷增加。水壓的增加將使得磁化容易從而導致潛艇磁場的增加。

4 潛艇磁場與應力的實驗

為了驗證所得潛艇磁場與內部應力關系的正確性，并獲得定量的結果，進行了潛艇感應磁場與潛艇內部應力關系的模型測量實驗。實驗裝置如下圖所示。

實驗中根據相似性原理，按照1:100比例制造了一潛艇模型，并將其置于管道狀的碳纖維容器中，管道長2 m，半徑0.25 m。兩端是板狀碳纖維材料，并用銅質螺母和密封條密閉，容器的一端連接氣壓表和空氣壓縮機。實驗時通過空氣壓縮機不斷對碳纖維容器進行加壓以模擬潛艇下潛時的水壓增加，測量并記錄潛艇龍骨下的感應磁場和固定磁場隨壓力變化的情況。測量時潛艇處于磁北航向，測量深度水線下0.3 m，對應實際深度30 m。壓力由0.1 MP增加到10 MP，以模擬潛艇從水面下潛到1000 m深的情況。固定磁場的測量結果如下圖所示。

從圖中可以看出，固定磁場是隨外部壓力的增加而緩慢增加的，外部壓力從0.1 MP增加到10 MP，對應潛艇從水面下降到1000 m，潛艇的固定磁場增加了約20-30%，且增加過程比較曲折，有些時候甚至是負增長。感應磁場的測量結果如圖6所示。

從圖中可以看出，感應磁場是隨外部壓力的增加而快速增加的，外部壓力從0.1 MP增加到10 MP，對應潛艇從水面下降到1000 m，潛艇的感應磁場增加了約200-215%，且增加過程線性特征較好，在最大壓力10 MP時還未測量到拐點。

總的來說，所得實驗結果與前文的理論預測吻合得很好。對于潛艇而言，其磁場特別是感應磁場隨下潛深度的增加快速增加，因此對潛艇進行磁隱身處理時，水壓的影響是不可忽略的因素。

5 結論

本文介紹了磁致伸縮與磁應力能，并討論了材料內部應力與對材料磁化的影響，最后分析了潛艇磁場與應力的關系，并進行了潛艇內部應力對潛艇感應和固定磁場影響的實驗。理論和實驗結果表明，潛艇模型的感應和固定磁場均隨外部壓力的增加而增加。特別是感應磁場，其增加幅度達到了2倍，因此，對潛艇進行磁隱身處理時，該影響不可忽略。

值得指出的是，由于艇模鋼板較薄，在實驗時會產生較大的形變，因而實驗結果與實艇的結果有可能有差別，這方面還需進一步深入研究。但本文所得理論和實驗結論對于潛艇磁隱身設計和磁隱身水平的提高提供了重要參考。

參考文獻：

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Effect of External Stresses on Magnetic Field of A Submarine

Gao Junji, Zhang Shu, Zhou Guohua

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U665

A

1003-4862（2016）09-0077-04

2016-07-15

高俊吉(1977-)，男，講師，博士。研究方向：艦船磁場計算分析與處理技術。