應(yīng)力對(duì)潛艇磁場(chǎng)的影響研究

高俊吉，張 樹，周國(guó)華

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應(yīng)力對(duì)潛艇磁場(chǎng)的影響研究

高俊吉，張 樹，周國(guó)華

（海軍工程大學(xué)，武漢430033）

針對(duì)潛艇上浮下潛過程中，在水下不同深度處水壓對(duì)潛艇磁場(chǎng)影響的問題，從磁應(yīng)力能角度出發(fā)，分析了潛艇內(nèi)部應(yīng)力與外部磁場(chǎng)間的關(guān)系，并用氣壓代替水壓進(jìn)行了潛艇內(nèi)部應(yīng)力與外部磁場(chǎng)間關(guān)系的船模測(cè)量實(shí)驗(yàn)。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：潛艇模型固定磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)隨著壓力的增加而增加。該結(jié)論為潛艇磁隱身設(shè)計(jì)和磁隱身水平的提高提供了重要參考。

水壓 磁應(yīng)力能 感應(yīng)磁場(chǎng) 固定磁場(chǎng)

0 引言

潛艇感應(yīng)磁場(chǎng)是在地磁場(chǎng)的作用下形成的，因此習(xí)慣上認(rèn)為地磁場(chǎng)決定了潛艇感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱[1]，而其他因素對(duì)潛艇磁場(chǎng)的影響很小[2]。但有一個(gè)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(duì)潛艇應(yīng)力的影響，應(yīng)力的變化進(jìn)而導(dǎo)致潛艇磁場(chǎng)的變化。

潛艇磁性可分為感應(yīng)磁性和固定磁性，潛艇在下潛時(shí)艇殼所受水壓會(huì)急劇的增加，因而內(nèi)部的應(yīng)力也將急劇增加，從而使得艦船的感應(yīng)和固定磁場(chǎng)發(fā)生很大的變化。由于當(dāng)前磁性探潛能力突飛猛進(jìn)，應(yīng)力對(duì)潛艇磁場(chǎng)的影響嚴(yán)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(chǎng)與內(nèi)部應(yīng)力之間的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了潛艇感應(yīng)磁場(chǎng)和固定磁場(chǎng)與內(nèi)部應(yīng)力間的關(guān)系。

1 磁致伸縮與磁應(yīng)力能

物體在磁場(chǎng)中磁化時(shí)，在磁場(chǎng)方向會(huì)伸長(zhǎng)或縮短，這稱為磁致伸縮[3]。鐵物質(zhì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而伸長(zhǎng)的。磁性材料的伸縮比（伸長(zhǎng)或縮短數(shù)和原長(zhǎng)之比）是隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，最后停止伸縮，即伸縮達(dá)到飽和，各種材料的飽和伸縮比是一定的數(shù)值，稱為磁致伸縮系數(shù)。物體磁化時(shí)，不但在磁化方向會(huì)伸長(zhǎng)（或縮短），在偏離磁化方向的其他方向也同時(shí)伸長(zhǎng)（或縮短），但偏離增大，伸長(zhǎng)比（或縮短比）逐漸減低，到了接近于垂直于磁場(chǎng)的方向，物體反要縮短（伸長(zhǎng)）。正磁致伸縮是物體在磁化方向伸長(zhǎng)，在垂直于磁化方向縮短，負(fù)磁致伸縮是物體在磁化方向縮短，在垂直于磁化方向伸長(zhǎng)。

磁性物體在磁化時(shí)要發(fā)生伸縮，如果受到限制而不能伸縮時(shí)，物體中就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力是物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力，即拉伸力或壓縮力。應(yīng)力是以單位面積上所受的力來表示它的強(qiáng)度。當(dāng)物體磁化要伸長(zhǎng)卻受限制不能伸長(zhǎng)時(shí)，則物體內(nèi)部發(fā)生的是壓縮力。而磁化時(shí)要縮短卻受限制不能縮短，內(nèi)部就發(fā)生拉伸力。物體內(nèi)部的應(yīng)力也可以由加在它外部的拉力或壓力產(chǎn)生。

當(dāng)磁性物體因磁化而產(chǎn)生伸縮，同時(shí)由于各種原因發(fā)生應(yīng)力，那么它內(nèi)部就有磁應(yīng)力能。磁應(yīng)力能的表達(dá)式為：

物質(zhì)結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的狀態(tài)是它的自由能最低的狀態(tài)，所以當(dāng)物體被磁化時(shí)，在磁應(yīng)力能低的方向上磁化應(yīng)該是更加容易的。從上式來看，如果為正值時(shí)，時(shí)能量最小，時(shí)能量最大；如果為負(fù)值時(shí)，時(shí)能量最大，時(shí)能量最小。由此可見應(yīng)力會(huì)使材料發(fā)生一種各向異性，稱為應(yīng)力各向異性。

2 應(yīng)力對(duì)磁化方向的影響

由前面分析可知內(nèi)部應(yīng)力對(duì)物體的磁化是有影響的，可以用下面的圖示來說明應(yīng)力對(duì)磁化方向的影響。

由上面的分析可知，當(dāng)外磁場(chǎng)沿著磁應(yīng)力能最低的方向磁化時(shí)，磁化特別容易，因?yàn)檫@時(shí)應(yīng)力已使磁化矢量作平行于外磁場(chǎng)或反平行于外磁場(chǎng)的方向處排列。磁化過程只需反平行方向的反一個(gè)方向即可，這時(shí)磁應(yīng)力能保持不變，故磁場(chǎng)容易。當(dāng)外磁場(chǎng)沿磁應(yīng)力能最高的方向上磁化時(shí)，磁化特別困難，因?yàn)閼?yīng)力使作垂直于外磁場(chǎng)的方向排列。磁化過程中要使原來垂直于的方向轉(zhuǎn)到和一致的方向，該過程中磁應(yīng)力能從最低升至最高，故磁化困難。

下面將分析鐵磁物質(zhì)在有應(yīng)力作用下的磁化情況。鐵磁物質(zhì)中如果有應(yīng)力，就會(huì)發(fā)生應(yīng)力各向異性。此時(shí)若其他因素可忽略，當(dāng)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，只需考慮磁場(chǎng)的靜磁能和應(yīng)力引起的磁應(yīng)力能。磁化矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)位置取決于兩個(gè)能量的平衡。

外磁場(chǎng)的靜磁能為

磁應(yīng)力能為

3 潛艇磁場(chǎng)與應(yīng)力的關(guān)系

對(duì)于潛艇而言，當(dāng)潛艇下潛時(shí)會(huì)受到較強(qiáng)的水壓，為了弄清楚水壓對(duì)潛艇磁場(chǎng)的影響，需對(duì)潛艇下潛時(shí)的受力進(jìn)行分析，簡(jiǎn)單的潛艇受力結(jié)構(gòu)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(nèi)部的箭頭代表內(nèi)部應(yīng)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(gòu)成，根據(jù)磁學(xué)的基本知識(shí)可知，板材等薄板結(jié)構(gòu)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(rèn)為只有沿板材方向的磁化。從圖3中可看出隔板等對(duì)潛艇磁場(chǎng)影響較大的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部應(yīng)力方向?yàn)檎?，由于其主要由鋼材做成，也為正，此時(shí)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(dǎo)致潛艇磁場(chǎng)的增加。

4 潛艇磁場(chǎng)與應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所得潛艇磁場(chǎng)與內(nèi)部應(yīng)力關(guān)系的正確性，并獲得定量的結(jié)果，進(jìn)行了潛艇感應(yīng)磁場(chǎng)與潛艇內(nèi)部應(yīng)力關(guān)系的模型測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示。

實(shí)驗(yàn)中根據(jù)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(zhǎng)2 m，半徑0.25 m。兩端是板狀碳纖維材料，并用銅質(zhì)螺母和密封條密閉，容器的一端連接氣壓表和空氣壓縮機(jī)。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過空氣壓縮機(jī)不斷對(duì)碳纖維容器進(jìn)行加壓以模擬潛艇下潛時(shí)的水壓增加，測(cè)量并記錄潛艇龍骨下的感應(yīng)磁場(chǎng)和固定磁場(chǎng)隨壓力變化的情況。測(cè)量時(shí)潛艇處于磁北航向，測(cè)量深度水線下0.3 m，對(duì)應(yīng)實(shí)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(chǎng)的測(cè)量結(jié)果如下圖所示。

從圖中可以看出，固定磁場(chǎng)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(duì)應(yīng)潛艇從水面下降到1000 m，潛艇的固定磁場(chǎng)增加了約20-30%，且增加過程比較曲折，有些時(shí)候甚至是負(fù)增長(zhǎng)。感應(yīng)磁場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

從圖中可以看出，感應(yīng)磁場(chǎng)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(duì)應(yīng)潛艇從水面下降到1000 m，潛艇的感應(yīng)磁場(chǎng)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(shí)還未測(cè)量到拐點(diǎn)。

總的來說，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前文的理論預(yù)測(cè)吻合得很好。對(duì)于潛艇而言，其磁場(chǎng)特別是感應(yīng)磁場(chǎng)隨下潛深度的增加快速增加，因此對(duì)潛艇進(jìn)行磁隱身處理時(shí)，水壓的影響是不可忽略的因素。

5 結(jié)論

本文介紹了磁致伸縮與磁應(yīng)力能，并討論了材料內(nèi)部應(yīng)力與對(duì)材料磁化的影響，最后分析了潛艇磁場(chǎng)與應(yīng)力的關(guān)系，并進(jìn)行了潛艇內(nèi)部應(yīng)力對(duì)潛艇感應(yīng)和固定磁場(chǎng)影響的實(shí)驗(yàn)。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，潛艇模型的感應(yīng)和固定磁場(chǎng)均隨外部壓力的增加而增加。特別是感應(yīng)磁場(chǎng)，其增加幅度達(dá)到了2倍，因此，對(duì)潛艇進(jìn)行磁隱身處理時(shí)，該影響不可忽略。

值得指出的是，由于艇模鋼板較薄，在實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的形變，因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)艇的結(jié)果有可能有差別，這方面還需進(jìn)一步深入研究。但本文所得理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)于潛艇磁隱身設(shè)計(jì)和磁隱身水平的提高提供了重要參考。

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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(chǎng)計(jì)算分析與處理技術(shù)。