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作者简介:

易谷丰(1985-),男,硕士,高级工程师,主要从事舰船消磁技术研究。

中图分类号:TM937.1

文献标识码:A

文章编号:2096-5753(2024)03-0342-07

DOI:10.19838/j.issn.2096-5753.2024.03.013

参考文献 1
刘大明.舰船消磁理论与方法[M].北京:国防工业出版社,2011.
参考文献 2
张国有.舰船消磁原理及装置[M].武汉:海军工程大学,2009.
参考文献 3
朱文普,李琥.计算补偿舰船磁场的一种方法[J].舰船科学技术,1979,1(5):70-72.
参考文献 4
杜志瀛.船用柴油机磁性测量及磁性补偿技术研究 [J].船舶,1991(4):54-60.
参考文献 5
姜智鹏,庄飚. 船用柴油机磁场仿真计算及验证[J].船舶工程,2005,27(6):68-71.
参考文献 6
刘胜道,肖昌汉,周国华,等.低磁舰艇设备磁场简化建模方法研究[J].电工技术学报,2013,28(Z2):176-179.
参考文献 7
郭成豹,周炜昶.舰船消磁绕组磁特征数值计算与验证研究[J].兵工学报,2017,38(10):1988-1994.
参考文献 8
郭成豹,刘大明.舰船磁特征磁矩量法的图形处理单元加速计算研究[J].兵工学报,2014,35(10):1638-1643.
参考文献 9
ROBERTS S,BOND A. Predicting the magnetic signature of steel hull ships through FE modeling[C]//Undersea Defense Technology Exhibition 2014.Liverpool:ACC Liverpool Group,2014.
参考文献 10
BIRSAN M,TAN R.The effect of roll and pitch motion on ship magnetic signature[J] . Journal of Magnetics,2016,21(4):503-508.
参考文献 11
朱武兵,庄劲武,赵文春,等.载体感应磁场的改进积分方程法[J].国防科技大学学报,2018,40(3):101-106.
参考文献 12
朱武兵,赵文春,庄劲武,等.非磁性船舶涡流磁场数值建模方法[J].哈尔滨工程大学学报,2019,40(1):112-117.
参考文献 13
赵建华,应宇辰,郭成豹.柴油机磁场的计算、试验与消磁优化[J].兵工学报,2020,41(2):350-355.
参考文献 14
易谷丰.Ansoft Maxwell 在电磁扫雷具磁场分析中的应用[J].数字海洋与水下攻防,2019,2(3):64-69.
参考文献 15
赵博,张洪亮.Ansoft 12 在工程电磁场中的应用[M].北京:中国水利出版社,2010.
参考文献 16
周国华,肖昌汉,刘胜道,等.基于六面体单元表明磁场积分法求解三维静磁场[J].电工技术学报,2009,24(3):1-7.
参考文献 17
虞伟乔,朱武兵,周国华.基于四面体表面积分求解三维静磁场[J].海军工程大学学报,2016,28(5):15-19.
参考文献 18
赵凯华,陈熙谋.电磁学[M].北京:高等教育出版社,2006.
目录contents

    摘要

    为研究船用柴油机的磁性补偿问题,采用有限元仿真方法来指导消磁设计工作。在地磁环境下,利用 Ansys Maxwell 软件建立某型柴油机的有限元仿真模型,计算了柴油机感应磁场的空间分布,并测量了柴油机的磁场,仿真结果与测量结果进行对比,其误差不大于 10%,在工程应用允许的范围之内。采用补偿线圈的方式对柴油机的磁场进行补偿,通过优化设置补偿电流,柴油机的磁场最大值从 336 nT 减小到 50 nT,降低约 85%。

    Abstract

    In order to study the magnetic compensation of marine diesel engines,finite element simulation is used for degaussing design. In geomagnetic environment,a finite element simulation model of a diesel engine is established using Ansys Maxwell software,the spatial distribution of the induced magnetic field is calculated,and the magnetic field is measured. The simulation results are compared with the measured results,and the error is no more than 10%,which is within permissible range of engineering application. Compensation coils are used to compensate the magnetic field of the diesel engine. By optimizing the setting of the compensation current,the maximum value of magnetic field of the diesel engine is reduced from 336nT to 50nT,reduced by about 85%.

  • 0 引言

  • 反水雷舰艇由于工作时离水雷较近,一般要求其低磁低噪,避免自身的声磁等物理场引爆水雷,对反水雷舰艇以及上面的人员造成伤害。反水雷舰艇为了减小磁场,船体采用木材、低磁钢、铝合金等低磁或无磁材料建造,但是反水雷舰艇上的船舶机械、设备等仍然具有磁性,其中以柴油机的磁性为最强。为了减小柴油机的磁性,常用的传统方法是以铝、奥氏体钢等材料制造机身及其零部件,采用低磁或无磁材料时,由于其强度低,导致柴油机的比功率、抗冲击能力、可靠性及寿命下降,有时需要折衷考虑柴油机的可靠性和运营经济性,既要权衡材料的磁性和强度,又要兼顾柴油机的使用寿命、制造成本和运转效率。因此,众多的反水雷舰艇仍然选用非磁率较低的柴油机,甚至采用铁磁柴油机。

  • 为了解决铁磁柴油机磁性过强的问题,必须对柴油机的磁性进行补偿[1-3]。杜志瀛[4]测量了柴油机的磁场,并采用局部线圈对柴油机磁场进行补偿,大大地降低了柴油机的磁场。姜智鹏等[5]利用有限元分析软件 Ansys 进行了船用柴油机磁场的仿真计算及验证。刘胜道等[6]提出了一种低磁舰艇设备磁场简化建模方法,采用静磁场积分方程法,计算得到柴油机的感应磁场。郭成豹等[7-8]、ROBERTS 等[9]分析比较了电磁场积分方程法、积分微分方程法和边界元法等几种经典的磁场数值计算方法[10-12],可用于柴油机磁场计算分析。赵建华等[13]利用有限元软件 Comsol,建立某型柴油机仿真模型,计算了地磁场作用下柴油机的感应磁场及其空间分布,并采用磁铁抵消消磁法对柴油机进行补偿。

  • 本文采用有限元软件 Ansys Maxwell 仿真分析柴油机磁场,并通过试验方法测试柴油机的磁场,进而通过布设磁补偿线圈,设置合理的补偿电流,对柴油机进行磁性补偿,降低了柴油机的剩余磁场。本文从理论分析、建模仿真、工程实践方面提出了一套可行性高,且精度满足工程研制要求的柴油机磁性补偿方法,具有十分重要的应用价值。

  • 1 Ansys Maxwell 磁场计算原理[14]

  • Ansys Maxwell 有限元软件以 Maxwell 微分方程为基础,采用有限元离散形式,将工程中的电磁场计算转化为一个庞大的矩阵求解[15]。采用边缘法计算三维静磁场,即以剖分单元边缘的场量为自由度计算[16-17]

  • 三维静磁场的 Maxwell 方程组如式(1)所示[18]

  • ×H(x,y,z)=J(x,y,z)B(x,y,z)=0
    (1)
  • 式中:Hxyz为磁场强度;Jxyz为电流密度;Bxyz为磁感应强度;Bxyz与各个方向矢量的函数关系如式(2)所示:

  • B(x,y,z)=Bxx+Byy+Bzz
    (2)
  • 式中, BxByBz 分别是 xyz 方向上的磁感应强度大小。

  • 如果研究对象为永磁体,其关系式如公式(3) 所示:

  • B=μ0μrH+μ0Mp
    (3)
  • 式中:Mp 为永磁材料的极化强度;μr为相对磁导率;μ0=4π×10-7H/m,为真空磁导率。

  • 对于各向异性的磁性材料,用相对磁导率张量形式处理三维静磁场,即

  • μr=μrx μry μrz
    (4)
  • 通过描述 3 个方向上不同的相对磁导率,以实现各向异性磁性材料的计算。

  • 磁场强度 H 如式(5)所示:

  • H=HP+φ+HC
    (5)
  • 式中: HP 为四面体 6 条边上的磁场强度;φ为标量磁位; HC 是永磁体上的磁场强度。这样,在四面体上求解的自由度就达到 10 个,其中 6 个是四面体 6 条边上的磁感应强度,另外 4 个是四面体 4 个顶点上的标量磁位,采用二次差值来逼近单个剖分单元内的场量。

  • 2 柴油机磁场有限元计算分析

  • 2.1 有限元建模

  • 柴油机结构细节对远场磁场的影响较小,为了减小计算量,简化部分圆角、长条面和小圆孔等细节,柴油机外形尺寸为 1 695 mm×840 mm× 1 280 mm(长×宽×高),建立柴油机机体的三维模型,如图1 所示。以 50 m×50 m×50 m 的空间作为解析域,将柴油机机体和解析域形成联合体,设置边界条件,建立柴油机磁场仿真模型。

  • 图1 柴油机磁场仿真模型

  • Fig.1 Magnetic field simulation model of a diesel engine

  • 在 Maxwell 软件中,执行 Project/Insert Maxwell3D Design 命令,以及 Maxwell3D/Solution Type 命令,在弹出的求解器对话框中选择 magnetic 栏下 magnetostatic 求解器,设置机体材料为铸铁 (cast_iron),其相对磁导率为 60(maxwell 中 cast_iron 的相对磁导率默认值为 60),空气的相对磁导率为 1,设置背景磁场垂直分量为 37 450 nT,水平分量为 34 000 nT。

  • 2.2 划分网格

  • 网格划分选择自由剖分四面体网格,求解残差设定(Analysis Setup)中设置 Maximum Number of Passe 为 6,Percent Error 为 1e–008,柴油机网格划分结果为:最小边长为 0.000 2 m,最大边长为 0.132 1 m,共形成 883 091 个四面体单元,如图2 所示。

  • 图2 柴油机有限元网格

  • Fig.2 Finite element mesh of a diesel engine

  • 2.3 磁场计算及分析

  • 利用有限元分析柴油机的磁场,可以计算分析其感应磁场,其垂直分量的总量可以通过测量得到。通过改变边界条件,可以分别得到柴油机纵向感应磁场垂直分量 Zix、柴油机横向感应磁场垂直分量 Ziy 在 3 380 mm 平面上磁场分布如图3–4 所示。定义柴油机中心位置为坐标为 0 线,左边距离中心位置 1 000 mm 处为–1 线,右边距离中心位置 1 000 mm 处为 1 线, ZixZiy 仿真计算值如表1 所示。

  • 图3 Zix 在 3 380 mm 平面上的磁场分布

  • Fig.3 Magnetic field distribution of Zix on a plane of 3 380 mm

  • 图4 Ziy 在 3 380 mm 平面上的磁场分布

  • Fig.4 Magnetic field distribution of Ziy on a plane of 3 380 mm

  • 表1 柴油机磁场垂直分量仿真计算值

  • Table1 Simulation value of vertical component of diesel engine magnetic field

  • 3 磁场测试试验验证

  • 3.1 柴油机原始磁场测试

  • 在某试验基地进行柴油机磁场测试试验,测量柴油机在磁东、磁南、磁西、磁北 4 个方向上的原始磁场,由于测量柴油机正下方的磁场比较困难,本文测量柴油机正上方的磁场,磁传感器离柴油机上表面高度为 3 380 mm,在横向上共放置 3 个磁传感器,传感器之间的距离为 1 000 mm,拖动柴油机移动平台,就可以测量柴油机在纵向不同距离上的磁场值,每隔 1 000 mm 记录一个测量值。

  • 测量柴油机在磁东、磁南、磁西、磁北 4 个方向上的原始磁场,测量结果如表2 所示。

  • 表2 柴油机原始磁场

  • Table2 Original magnetic field of a diesel engine

  • 对其垂直分量 Z 进行分解,可得到,ZixZiy 公式如下:

  • Zix=ZN-ZS2
    (6)
  • Ziy=ZE-ZW2
    (7)
  • 式中: ZN 为航向北,柴油机磁场垂直分量; ZS 为航向南,柴油机磁场垂直分量; ZE 为航向东,柴油机磁场垂直分量; ZW 为航向西,柴油机磁场垂直分量。 ZixZiy 的分解结果如表3 所示。

  • ZixZiy 实测值与仿真值进行对比,如图5 和图6 所示,从图中可以看出,实测值与仿真值之间的差值不超过 5 nT,计算误差小于 10%,在工程应用允许的范围之内。

  • 3.2 柴油机磁性补偿

  • 在某些特殊领域的工程应用中,需要使用磁性较低的柴油机,而考虑到寿命、制造成本和运转效率等因素,又必须使用铁磁柴油机,因此需要对柴油机进行磁性补偿。本文采用补偿线圈的方法对柴油机的磁场进行补偿,分别在柴油机的 XYZ 轴 3 个方向布置补偿线圈 XQ、YQ 和 ZQ,其中 XQ 为半径 600 mm 圆形,19 匝,YQ 为 1 720 mm×1 300 mm 的矩形,19 匝,ZQ 为 1 550 mm×1 000 mm 的矩形,19 匝,如图7 所示。

  • 表3 柴油机磁场垂直分量分解

  • Table3 Vertical component decomposition of diesel engine magnetic field

  • 图5 Zix 实测值与仿真值对比

  • Fig.5 Comparison between measured value and simulated value of Zix

  • 图6 Ziy 实测值与仿真值对比

  • Fig.6 Comparison between measured value and simulated value of Ziy

  • 图7 补偿线圈布置示意图

  • Fig.7 Arrangement schematic diagram of compensation coils

  • XQ、YQ 和 ZQ 补偿线圈分别通 3 A 电流,测量其绕组效率,其中 XQ 线圈在磁北方向测量,YQ 在磁西方向测量,ZQ 在磁东方向测量,其效率如表4 所示。

  • 表4 补偿线圈效率

  • Table4 Efficiency of compensation coils

  • 续表4

  • 使用 XQ 线圈补偿 Zix,YQ 线圈补偿 Ziy ,XQ、 YQ 和 ZQ 线圈同时补偿 ZpZp 为柴油机的固定磁场)的方案,以南航向为例,采用最小二乘法,获得补偿参数,可得补偿前后柴油机的磁场通过特性曲线如图8–11 所示。

  • 图8 北航向,补偿前后柴油机磁场通过特性曲线

  • Fig.8 In northbound direction,through characteristic curves of diesel engine magnetic field before and after compensation

  • 图9 南航向,补偿前后柴油机磁场通过特性曲线

  • Fig.9 In southbound direction,through characteristic curves of diesel engine magnetic field before and after compensation

  • 图10 东航向,补偿前后柴油机磁场通过特性曲线

  • Fig.10 In eastbound direction,through characteristic curves of diesel engine magnetic field before and after compensation

  • 图11 西航向,补偿前后柴油机磁场通过特性曲线

  • Fig.11 In westbound direction,through characteristic curves of diesel engine magnetic field before and after compensation

  • 从上图可以看出,通过补偿线圈通电补偿,柴油机的磁场最大值由 336 nT 减小为 50 nT,降低了 85%,磁补偿效果明显。

  • 4 结束语

  • 本文采用有限元仿真计算柴油机的磁场分布,使得计算更加精确,为磁性补偿提供了定量依据。仿真计算方法同样也适用于舰艇消磁,可以解决以往首艇未建造时采用估算、经验等方法获得磁场存在偏差的问题。得到的结论如下:

  • 1)基于有限元软件 Ansys Maxwell,实现了柴油机感应磁场的计算,并且与柴油机实测磁场进行了对比,误差不超过 10%,在工程应用允许的范围之内,可以作为设计的依据。

  • 2)使用 3 个方向的补偿线圈 XQ、YQ 和 ZQ,对柴油机的磁场进行补偿,采用最小二乘法,获得补偿参数,可以使柴油机的磁场由 336 nT 减小为 50 nT,降低了 85%,使其对外呈现的磁场大大减小。

  • 参考文献

    • [1] 刘大明.舰船消磁理论与方法[M].北京:国防工业出版社,2011.

    • [2] 张国有.舰船消磁原理及装置[M].武汉:海军工程大学,2009.

    • [3] 朱文普,李琥.计算补偿舰船磁场的一种方法[J].舰船科学技术,1979,1(5):70-72.

    • [4] 杜志瀛.船用柴油机磁性测量及磁性补偿技术研究 [J].船舶,1991(4):54-60.

    • [5] 姜智鹏,庄飚. 船用柴油机磁场仿真计算及验证[J].船舶工程,2005,27(6):68-71.

    • [6] 刘胜道,肖昌汉,周国华,等.低磁舰艇设备磁场简化建模方法研究[J].电工技术学报,2013,28(Z2):176-179.

    • [7] 郭成豹,周炜昶.舰船消磁绕组磁特征数值计算与验证研究[J].兵工学报,2017,38(10):1988-1994.

    • [8] 郭成豹,刘大明.舰船磁特征磁矩量法的图形处理单元加速计算研究[J].兵工学报,2014,35(10):1638-1643.

    • [9] ROBERTS S,BOND A. Predicting the magnetic signature of steel hull ships through FE modeling[C]//Undersea Defense Technology Exhibition 2014.Liverpool:ACC Liverpool Group,2014.

    • [10] BIRSAN M,TAN R.The effect of roll and pitch motion on ship magnetic signature[J] . Journal of Magnetics,2016,21(4):503-508.

    • [11] 朱武兵,庄劲武,赵文春,等.载体感应磁场的改进积分方程法[J].国防科技大学学报,2018,40(3):101-106.

    • [12] 朱武兵,赵文春,庄劲武,等.非磁性船舶涡流磁场数值建模方法[J].哈尔滨工程大学学报,2019,40(1):112-117.

    • [13] 赵建华,应宇辰,郭成豹.柴油机磁场的计算、试验与消磁优化[J].兵工学报,2020,41(2):350-355.

    • [14] 易谷丰.Ansoft Maxwell 在电磁扫雷具磁场分析中的应用[J].数字海洋与水下攻防,2019,2(3):64-69.

    • [15] 赵博,张洪亮.Ansoft 12 在工程电磁场中的应用[M].北京:中国水利出版社,2010.

    • [16] 周国华,肖昌汉,刘胜道,等.基于六面体单元表明磁场积分法求解三维静磁场[J].电工技术学报,2009,24(3):1-7.

    • [17] 虞伟乔,朱武兵,周国华.基于四面体表面积分求解三维静磁场[J].海军工程大学学报,2016,28(5):15-19.

    • [18] 赵凯华,陈熙谋.电磁学[M].北京:高等教育出版社,2006.

  • 参考文献

    • [1] 刘大明.舰船消磁理论与方法[M].北京:国防工业出版社,2011.

    • [2] 张国有.舰船消磁原理及装置[M].武汉:海军工程大学,2009.

    • [3] 朱文普,李琥.计算补偿舰船磁场的一种方法[J].舰船科学技术,1979,1(5):70-72.

    • [4] 杜志瀛.船用柴油机磁性测量及磁性补偿技术研究 [J].船舶,1991(4):54-60.

    • [5] 姜智鹏,庄飚. 船用柴油机磁场仿真计算及验证[J].船舶工程,2005,27(6):68-71.

    • [6] 刘胜道,肖昌汉,周国华,等.低磁舰艇设备磁场简化建模方法研究[J].电工技术学报,2013,28(Z2):176-179.

    • [7] 郭成豹,周炜昶.舰船消磁绕组磁特征数值计算与验证研究[J].兵工学报,2017,38(10):1988-1994.

    • [8] 郭成豹,刘大明.舰船磁特征磁矩量法的图形处理单元加速计算研究[J].兵工学报,2014,35(10):1638-1643.

    • [9] ROBERTS S,BOND A. Predicting the magnetic signature of steel hull ships through FE modeling[C]//Undersea Defense Technology Exhibition 2014.Liverpool:ACC Liverpool Group,2014.

    • [10] BIRSAN M,TAN R.The effect of roll and pitch motion on ship magnetic signature[J] . Journal of Magnetics,2016,21(4):503-508.

    • [11] 朱武兵,庄劲武,赵文春,等.载体感应磁场的改进积分方程法[J].国防科技大学学报,2018,40(3):101-106.

    • [12] 朱武兵,赵文春,庄劲武,等.非磁性船舶涡流磁场数值建模方法[J].哈尔滨工程大学学报,2019,40(1):112-117.

    • [13] 赵建华,应宇辰,郭成豹.柴油机磁场的计算、试验与消磁优化[J].兵工学报,2020,41(2):350-355.

    • [14] 易谷丰.Ansoft Maxwell 在电磁扫雷具磁场分析中的应用[J].数字海洋与水下攻防,2019,2(3):64-69.

    • [15] 赵博,张洪亮.Ansoft 12 在工程电磁场中的应用[M].北京:中国水利出版社,2010.

    • [16] 周国华,肖昌汉,刘胜道,等.基于六面体单元表明磁场积分法求解三维静磁场[J].电工技术学报,2009,24(3):1-7.

    • [17] 虞伟乔,朱武兵,周国华.基于四面体表面积分求解三维静磁场[J].海军工程大学学报,2016,28(5):15-19.

    • [18] 赵凯华,陈熙谋.电磁学[M].北京:高等教育出版社,2006.