降低潜艇的磁信号

2019年 3月 7日

由于船只和潜艇具有磁信号,它们会被敌方防御系统探测到。因此,磁信号的数值分析在船舶的设计和操作中非常重要。然而,与船舶的尺寸相比,用于建造船舶的金属板很薄,这使得利用体网格的标准有限元方法效率低下。本篇博客文章通过一个简单的潜艇示例讨论了一种加速计算的方法。

本篇文章的原始版本由 Mark Fowler 撰写,并于 2014 年 2 月 24 日发布。此后,原始版本被修订,增加了更多详细信息和更新的软件功能。

检测船舶的磁信号

当船舶在水面下或水面上行驶时,它会在地磁场中引起可探测到的局部扰动,这种扰动被称为磁信号,使船舶容易受到敌方防御系统的攻击。在潜艇战中,对手使用越来越复杂的磁传感器和信号处理设备来探测和跟踪这些信号。

水下潜艇的照片。
美国海军芝加哥潜艇。摄影师大副 Kevin H. Tierney 拍摄的美国海军照片,该照片位于公共领域,通过  Wikimedia Commons 分享。

为了防止被探测到,工程技术人员使用消磁技术 将船舶信号降低到安全水平。其中一种消磁技术是拖动电缆时不时地沿着船舶传递强电流,使船体产生轻微的偏磁现象。还有一些技术利用船舶设计中的线圈,产生具有适当强度和方向的抵消磁场来补偿扰动。为了有效地使用这些方法,人们必须能够根据船舶的设计和磁性来分析信号。

用电磁仿真分析潜艇

本文重点研究潜艇钢壳与其周围环境之间的强磁导率对比所导致的磁信号(这里不考虑剩磁或磁滞效应)。

潜艇本质上是长钢管。虽然船体板可以承受巨大的压力,但与船舶的大小相比,它仍然相对较薄。使用标准有限元分析对这种结构执行仿真在计算上要求很高,因为细长结构的体网格往往包含非常大量的单元或纵横比较大的单元,这会导致大量自由度(内存要求高)或网格,因而,在解析几何结构和产生的场时会出现问题。

潜艇采用 AC/DC 模块中的磁场,无电流 接口建模,这是 COMSOL Multiphysics® 软件的附加模块。使用磁屏蔽 特征,您可以通过将薄金属板模拟为嵌入三维几何结构的二维面结构来避免上述问题。实际上,该特征应用了在薄板中有效的三维域方程的二维切向投影,其中引入船体的厚度和磁导率作为参数。因此几何结构和网格中的边界特征厚度为零,但在考虑所涉及的物理因素时,采用的是精确的厚度。电流 静电 接口中也有类似的特征,分别用于模拟高导电率和高介电常数的薄板。

有关更多建模细节,您可以查看潜艇的磁信号示例的详细说明文档。如果您具有在有效期内的软件许可证,也可以下载相关的 MPH 文件。

潜艇模型和周围水域的几何结构。
潜艇的模型几何结构,其中的曲面对象代表潜艇,三维框代表周围的水。

潜艇磁信号的评估

您构建潜艇的几何结构并获得其材料属性后,即可预测它的磁信号。“AC/DC 模块”包含约化场 公式,这是获得信号的一个非常有用的特征。通过该特征,您可以将背景场定义为预定义的量,并仅求解场中的扰动。

用于寻找潜艇磁信号的总磁通密度图。
龙骨下方 12.5 米处水平切面图中的总磁通密度。背景场地磁场设为 5×10-5 T。

由于潜艇的存在,出现了明显的场扰动。箭头所示的是潜艇船体中切向磁场的大小和方向。

后续操作

您可以单击下面的按钮,进入“案例下载”页面,亲自尝试操作“潜艇的磁信号”教程模型。请注意,您必须具有 COMSOL Access 帐户,如果要下载 MPH 文件,还必须具有在有效期内的软件许可证。

您可能还想阅读这篇关于借助外加电流阴极保护和仿真预防船体腐蚀的博客文章。

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