基于有限元的水下航行器腐蝕靜電場(chǎng)特性分析

余定峰，耿　攀，徐正喜，陳　濤（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

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基于有限元的水下航行器腐蝕靜電場(chǎng)特性分析

余定峰，耿攀，徐正喜，陳濤
（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

摘要：基于電化學(xué)腐蝕理論，介紹了通過有限元方法對(duì)水下航行器靜電場(chǎng)進(jìn)行仿真建模的方法及過程。通過典型算例分析了水下航行器的靜電場(chǎng)分布特性，為基于水下電場(chǎng)特征控制的艦船隱身提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：水下航行器腐蝕靜電場(chǎng)有限元

0　引言

海洋環(huán)境中的水下航行器，由于船體、螺旋槳等主要組成部件在海水電解液中的腐蝕電位不同，以及外加電流陰極保護(hù)裝置的使用，無論是處于靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，都會(huì)在其周圍海水中激發(fā)電場(chǎng)信號(hào)，其中靜電場(chǎng)因量級(jí)較大、通過特征明顯而受到廣泛關(guān)注。由于海上實(shí)船試驗(yàn)成本較高，且易受天氣、海況條件影響，難以獲取較為完備的數(shù)據(jù)，迫切需要通過電磁仿真建模手段，掌握水下航行器靜電場(chǎng)信號(hào)分布特性。

近年來，海水環(huán)境中目標(biāo)腐蝕電場(chǎng)的建模及分析問題，愈來愈成為艦船電磁場(chǎng)應(yīng)用及防護(hù)領(lǐng)域備受關(guān)心的課題。文獻(xiàn)［1］基于邊界元數(shù)值方法構(gòu)建了海水中鋼管線的陰極保護(hù)數(shù)學(xué)模型，并采用Matlab計(jì)算了均勻電解質(zhì)中管線的表面電位分布。文獻(xiàn)［2］采用空氣-海水-海床3層解析模型對(duì)靜態(tài)電偶極子在海水區(qū)域中產(chǎn)生的標(biāo)量電位及靜態(tài)電場(chǎng)分布特征進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析。文獻(xiàn)［3］基于ANSYS軟件，建立了艦船的3-D 有限元模型，分析了艦船在周圍海水中形成的靜電場(chǎng)分布狀況。文獻(xiàn)［4］對(duì)裝有外加電流陰極保護(hù)（ICCP）系統(tǒng)的船舶進(jìn)行水下靜電場(chǎng)的邊界元建模，并分別對(duì)平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)兩種情況下船舶ICCP 系統(tǒng)的電流輸出進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)船舶的靜電場(chǎng)隱身。文獻(xiàn)［5］基于目標(biāo)靜電場(chǎng)的基本特性，進(jìn)行了水中兵器制導(dǎo)方法研究。文獻(xiàn)［6］分析了船舶靜態(tài)電場(chǎng)在無源區(qū)域中的分布，提出了一種新的船舶靜態(tài)電場(chǎng)深度換算的迭代方法，可實(shí)現(xiàn)海水中船舶靜態(tài)電場(chǎng)向較淺深度的換算。

上述研究成果對(duì)艦船在海水中激發(fā)的電場(chǎng)分布特性的建模及分析具有十分重要的價(jià)值。本文在此基礎(chǔ)上，基于電化學(xué)腐蝕理論，通過有限元方法對(duì)水下航行器產(chǎn)生的靜電場(chǎng)進(jìn)行仿真建模。

1　水下航行器腐蝕靜電場(chǎng)基本原理

為了提高仿真效率，忽略海床影響，采用有限元軟件的幾何模型處理模塊建立海水及水下航行器幾何模型，該水下航行器長(zhǎng)度約50m，如圖1所示。

圖1　水下航行器產(chǎn)生腐蝕靜電場(chǎng)基本原理

基于船體腐蝕防護(hù)需求，水下航行器艉部?jī)蓚?cè)對(duì)稱布置1對(duì)輔助陽(yáng)極，通過恒電位儀向輔助陽(yáng)極施加保護(hù)電流I，該電流經(jīng)海水流回船體，構(gòu)成電流回路，而該回路中的直流電流會(huì)在船體周圍產(chǎn)生靜電場(chǎng)，并按一定的衰減規(guī)律在水下航行器周圍形成特定的電場(chǎng)分布。

2　腐蝕靜電場(chǎng)的有限元法

通過對(duì)海水中水下航行器產(chǎn)生腐蝕靜電場(chǎng)的原理進(jìn)行分析，給出水下航行器腐蝕靜電場(chǎng)的有限元模型，如圖2所示。

圖2　水下航行器腐蝕靜電場(chǎng)的有限元模型

該腐蝕靜電場(chǎng)問題滿足如下標(biāo)量電勢(shì)方程：

且滿足如下邊界條件：

1）海水與空氣邊界處，電勢(shì)滿足：

2）輔助陽(yáng)極處外加電流源I，其表面電流密度滿足：

3）船體與海水介質(zhì)接觸表面上，電勢(shì)滿足混合邊界條件：

其中，系數(shù)α、β需通過電化學(xué)測(cè)量設(shè)備測(cè)得的船體材料樣品在特定海水電解液中的極化曲線確定。

船體材料選用鋼，螺旋槳材料選用鎳鋁青銅，海水采用電導(dǎo)率為σsea的均勻各向同性媒質(zhì)表征。由于水下航行器表面一般都涂有防腐涂層，或消聲瓦等絕緣特性較好的覆蓋層，因此，大部分船體表面采用切向電場(chǎng)邊界條件模擬，只在少數(shù)絕緣特性較差處或涂層破損處表面采用混合邊界條件模擬。

以某種低碳鋼船殼材料為例，給出其樣品在電導(dǎo)率為4S/m的海水電解液中測(cè)得的極化特性曲線（J-V曲線），如圖3所示。

圖3　低碳鋼樣品極化特性曲線

通過線性擬合得到該低碳鋼樣品的線性極化曲線，采用電流密度矢量和電場(chǎng)矢量之間的關(guān)系式J=σ E，可得到電勢(shì)V與法向電場(chǎng)（-En）的關(guān)系，從而得到船體與海水介質(zhì)接觸表面上，電勢(shì)滿足的混合邊界條件中的系數(shù)α和β的值。

3　水下航行器腐蝕靜電場(chǎng)特性分析

針對(duì)圖1所示海水及水下航行器幾何模型，設(shè)海水電導(dǎo)率為σsea=4S/m，輔助陽(yáng)極外加電流I=20 A，船體艉部錐體表面無防腐涂層或涂層破損，通過有限元方法進(jìn)行仿真計(jì)算，給出水下航行器周圍電勢(shì)及靜電場(chǎng)分布特性。

根據(jù)圖4中電勢(shì)分布結(jié)果進(jìn)行分析可知，船體下方一定深度處的電勢(shì)分布沿艏艉線呈現(xiàn)對(duì)稱性，由于該水下航行器艏部和舯部涂有防腐涂層或消聲瓦等覆蓋層，絕緣特性較好，因此電勢(shì)變化較小，而艉部電勢(shì)則形成明顯的正負(fù)峰。

由于水下電勢(shì)的分布不均勻，將不可避免地產(chǎn)生靜電場(chǎng)信號(hào)。通過仿真得到該水下航行器下方5m處?kù)o電場(chǎng)x、y、z三個(gè)分量的電場(chǎng)分布云圖，如圖5～圖7所示。

圖4　船體龍骨下方5m電勢(shì)分布

圖5　船體龍骨下方5m電場(chǎng)x分量分布

圖6　船體龍骨下方5m電場(chǎng)y分量分布

圖7　船體龍骨下方5m電場(chǎng)z分量分布

由靜電場(chǎng)分量的分布云圖可知，縱向分量和垂向分量沿艏艉線對(duì)稱分布，正峰位于螺旋槳附近，負(fù)峰位于艉部前段；橫向分量左右呈正負(fù)峰。

在船體下方5m、正橫距1m處選取一條長(zhǎng)度為60m的測(cè)量線，通過仿真計(jì)算得到該測(cè)量線上的靜電場(chǎng)x、y、z三個(gè)分量的分布曲線，如圖8所示。

圖8　龍骨下方5m、正橫距1m處?kù)o電場(chǎng)分布曲線

由靜電場(chǎng)分布曲線結(jié)果分析可知，水下航行器下方靜電場(chǎng)的三個(gè)分量均具有明顯的正、負(fù)峰，且峰值對(duì)應(yīng)螺旋槳和船體表面裸露區(qū)域。當(dāng)輔助陽(yáng)極外加電流20 A時(shí)，靜電場(chǎng)峰值達(dá)到幾十mV/m，量級(jí)可觀，需采取一定的措施加以控制。

4　結(jié)語(yǔ)

本文基于電化學(xué)腐蝕理論，通過有限元方法對(duì)水下航行器產(chǎn)生的靜電場(chǎng)進(jìn)行仿真建模，并給出典型算例，分析了水下航行器的靜電場(chǎng)分布特性，可為艦船電場(chǎng)特性研究提供建模方法和指導(dǎo)，為基于電場(chǎng)特征控制的艦船電場(chǎng)隱身技術(shù)研究提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

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Analysis on Corrosion Related Static Electric Field of Underwater Vehicle by Finite Element Method

Yu Dingfeng，Geng Pan，Xu Zhengxi，Chen Tao
（Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430205，China）

Abstract:Based on the theory of electro-chemical corrosion，a method and process are introduced to simulate the static electric field of underwater vehicle.Several typical examples are provided to analyze the distribution property of the static electric field，which may provide theoretical basis and data support for the stealth technology of ship based on underwater electric signature control.

Keywords:underwater vehicle； corrosion； static electric field； finite element method

中圖分類號(hào)：TM153

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）06-0023-03

收稿日期：2016-1-10

作者簡(jiǎn)介：余定峰（1986-），男，博士，高工，研究方向?yàn)榕灤姶艌?chǎng)應(yīng)用及防護(hù)。