直接通電式消磁的船體電阻計算方法研究

高 強，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算方法研究

高 強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 海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

為了實現(xiàn)直接通電式消磁的船體電阻計算分析，提出了一種船體電阻仿真計算方法，編寫了計算船體電阻的程序。對一些典型艦船的船體電阻進行了仿真計算，并與實際結果進行比較。數(shù)值仿真結果和實際結果比較表明，所提出的直接通電式消磁的船體電阻計算方法能較好地計算船體電阻，驗證了所提出計算方法的可行性。所得結果對直接通電式消磁的船體電阻計算具有一定的理論指導意義。

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)生磁場提供能量來改變艦艇的固定磁性，從而達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)生的磁場來作為工作磁場的，可以稱作旁通式消磁。

還有一種退磁方法是通過直接在船體上從船艏到船艉通工作電流來產(chǎn)生工作磁場。該工作電流產(chǎn)生的磁場方向為沿船體呈周向，根據(jù)綜合消磁原理中工作線圈磁場方向可任意的結論，利用船體中該工作電流產(chǎn)生的電磁場能量也能達到退磁的目的，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[3，4]：1）直接通電式消磁直接在船體上通電，工作時的交變磁場不受退磁因子的影響，電磁場能量利用率高，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)省人工和退磁時間，可以節(jié)約經(jīng)費；3）被消磁艦船易于機動，特別適合緊急狀態(tài)下對大量艦船進行退磁；4）直接通電式消磁通電時，交變磁場主要在船殼內傳播，不會泄露在船艙內，更不會影響艦艇上的儀器。

為了實現(xiàn)直接通電式消磁的船體電阻計算，本研究提出了一種直接通電式消磁的船體電阻仿真計算方法，并編寫計算船體電阻的程序。對幾種典型艦船的船體電阻進行仿真計算，通過數(shù)值仿真結果和實際結果比較的方法，驗證所提出直接通電式消磁的船體電阻仿真計算方法的可行性。

1 直接通電式消磁的工作原理

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

圖1 直接通電式消磁方法示意圖

1）交變磁場產(chǎn)生的方式

旁通式消磁由艦艇外部繞制的通電線圈來提供工作磁場，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能量來達到退磁目的，如圖2所示。

圖2 直接通電式消磁方法原理圖

2）交變磁場電磁能量的利用率

傳統(tǒng)的旁通式消磁在實施過程中，工作磁場容易受到退磁因子的制約，會大量泄露到船體外部。而直接通電式消磁的磁場主要在船體內傳播。相對于旁通式消磁，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算

由于艦船的船體結構極其復雜，對艦船結構做精確的仿真工作量巨大，且對于計算直接通電式消磁的船體電阻來說，對艦船作適當?shù)暮喕鼮閷嵱谩Ｒ虼耍蓪⑴灤辈康刃橐粋€圓柱殼體的鐵磁物體，艏艉各等效為一個圓錐殼體去除頂部后的圓臺殼體，且設船體的鋼材厚度和電阻率均相同。

設某一艦船的船體壁厚()均為8 mm。中間圓柱殼直徑(1)為12 m，長度(1)為80 m；兩端的圓錐殼體直徑和1相同，也為12 m，長度(2、3)為10.7m；圓錐殼體去除的頂部長度(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部分來計算。中間圓柱殼體的電阻為1：

兩端的圓臺殼體的電阻2、3分別為：

艦船等效物體的總電阻為：

然而，實際中上述公式所需的船體等效物體參數(shù)并不是已知的，如果進行實船測量就會增加工作量，大大浪費人力和時間。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：設計水線長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1與設計水線長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，機電設備重量m，木作舾裝重量w三大項估算[6]。木作舾裝重量w可按下式粗略計算

這樣艦船的鋼材重量可按下式計算

（6）

船體鋼材重量與船舶種類很有關系。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、艙壁等橫向船體結構并不導電，可以認為這些船體結構占船體重量的四分之一，因此參與導電的船殼重量約為

（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。

則參與導電的艦船鋼材體積可按下式計算

如圖4所示，設船體等效物體兩端圓臺等高，且高與設計水線長S成比例，比例系數(shù)為a。船體等效物體兩端圓臺頂部直徑相同，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)、頂部長度(4、5)可按下式計算

（10）

則圓錐長度(L2、L3)為

（12）

圖4 艦船的等效物體

因為船體厚度與船體尺寸相比小得多，因此可以認為船體等效物體的內外表面積相同。則船體等效物體鋼材表面積可按下式計算

設船體等效物的鋼材厚度均勻，則鋼材厚度可按下式計算

（14）

由此，計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)計表

由式（7）可以計算得到船殼重量為

由式（8）可以計算得到參與導電的船殼重量為

由式（9）、（10）、（13）和（14）可以計算得到船殼等效物平均厚度為35.7 mm。由此可以最終計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算

利用上述方法，對幾種艦船的電阻進行仿真計算，并通過與實際測量的電阻相比較，驗證該方法的可行性。

3.1 某型艦船電阻仿真計算

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)計表

由式（7）可以計算得到船殼重量為

由式（8）可以計算得到參與導電的船殼重量為

由式（9）、（10）、（13）和（14）可以計算得到船殼等效物平均厚度為24 mm。由此可以最終計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)計表

由式（7）可以計算得到船殼重量為

由式（8）計算得到參與導電的船殼重量為

由式（9）、（10）、（13）和（14）可以計算得到船殼等效物平均厚度為11.2 mm。由此可以最終計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)計表

由式（7）可以計算得到船殼重量為

由式（8）可以計算得到參與導電的船殼重量為

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

4 結論

直接通電式消磁直接在船體上通電，工作電流產(chǎn)生的磁場方向為沿船體呈周向，工作時的交變磁場不受退磁因子的影響，電磁場能量利用率高。直接通電式消磁不需要繞制工作線圈，大大節(jié)省人工和退磁時間。同時，直接通電式消磁的交變磁場主要在船殼內傳播，不會泄露到船艙內，更不會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算方法，并編寫了相關的程序，分別對幾種艦船的船體電阻進行了仿真計算。數(shù)值仿真結果表明，所提出的船體電阻仿真計算方法能較好的計算各船體電阻，驗證了所提出直接通電式消磁船體電阻仿真計算方法的合理性。研究結果對直接通電式消磁的船體電阻計算具有一定的參考意義。

[1] 馬偉明, 張曉峰, 焦儂, 等. 中國電氣工程大典:第12 卷,船舶電氣工程[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

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[3] 郭成豹, 劉大明, 肖昌漢等. 一種艦船退磁方法[P]. 中國, 20110456000.9.2011-12-30.

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[5] 高俊吉, 劉大明, 肖昌漢等.帶有漂浮式扁平消磁電纜的消磁裝置[P]. 中國, 201420663677. 9.2014-11-07.

[6] 裘益鐘. 船體磁性的工程估算[J]. 上海交通大學學報, 1980(1): 53-65.

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

國家自然科學基金（51277176），海軍工程大學自主立項課題資助

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