[发明专利]一种用于潜艇艇体钢材料磁特性的精确测量装置

权利要求书

1.一种用于潜艇艇体钢材料磁特性的精确测量装置，其特征在于，所述用于潜艇艇体钢材料磁特性的精确测量装置包括试样、励磁系统、应力施加系统、零磁场环境实现系统和测量系统；

所述试样为圆环结构，取截面其近似为圆柱体结构，与潜艇结构相似；

所述励磁系统包括励磁线圈，励磁线圈绕制在试样上，磁场通过试样一圈形成完整的磁路；

所述应力施加系统包括两片弧形的夹片，夹片与试样的圆环结构相匹配；夹片两侧分别设有一套螺杆和螺母，在螺母和夹片之间还设有力传感器；夹片与试样表面贴合，通过螺杆和螺母挤压对所述试样施加应力；

所述零磁场环境实现系统为包覆在所述试样、励磁系统和应力加载系统外侧的3组大线圈，用于实现3个正交方向上的磁场的调控；

所述测量系统包括传感器和计算机；所述传感器包括绕制在试样上的B线圈，用于获取感应电动势；

所述计算机用于构建J-A磁滞模型，并计算J-A模型的参数，对舰船的磁场分布进行数值分析，最后采用常规的有限元方法进行舰船磁场分析。

2.根据权利要求1所述用于潜艇艇体钢材料磁特性的精确测量装置，其特征在于，所述励磁线圈通过安培环路定理计算得到试样中的磁场强度H，安培环路定理如公式(1)所示：

式中，N表示励磁线圈的匝数，I表示励磁电流，l表示有效磁路长度，近似等于圆环的周长；

所述B线圈测量的感应电动势计算磁通密度B如下：

S表示B线圈的截面积，N₂表示B线圈的匝数，v(t)表示B线圈上测量的感应电动势。

3.根据权利要求2所述用于潜艇艇体钢材料磁特性的精确测量装置，其特征在于，所述J-A磁滞模型用于描述磁场强度H和磁化强度M之间的关系，磁通密度表示为B＝μ₀(H+M)，其中，μ₀＝4π×10^-7H/m；

并将铁磁体的磁化强度M分为可逆磁化强度M_rev和不可逆磁化强度M_irr：

M＝M_rev+M_irr

同时：

H_e＝H+αM

其中，H为磁场强度；M为磁化强度；M_an为无磁滞磁化强度；k为耦合参数，单位为A/m；δ为方向系数，取1或-1；α为磁畴内部耦合参数；

结合改进的朗之万函数可以推导出如下公式：

其中，H_e表示有效磁场强度，M_s饱和磁化强度，a非磁滞磁化曲线形状参数，c磁畴壁弯曲常数；

通过测量得到的磁滞回线数据计算求解出J-A模型的五个参数，分别为M_s饱和磁化强度，a非磁滞磁化曲线形状参数，k耦合参数，α磁畴内部耦合参数，c磁畴壁弯曲常数，得出J-A模型的参数，即可对舰船的磁场分布进行数值分析。

4.根据权利要求3所述用于潜艇艇体钢材料磁特性的精确测量装置，其特征在于，所述有限元分析包括舰船建模、激励边界条件设置、材料参数定义、网格划分、求解、后处理；

首先依据舰船的实际几何结构和尺寸构建三维舰船建模；

三维舰船建模完成后定义材料参数和约束条件，使用JA磁滞模型表征钢板的磁特性；

然后进行网格剖分，对变分问题进行离散化；

最后构建含有待求解变量的方程组。

5.根据权利要求4所述用于潜艇艇体钢材料磁特性的精确测量装置，其特征在于，所述方程组中恒定磁场泛函形式为：

其中，v表示磁导率的倒数，B表示磁通密度，Ω表示积分域，A表示矢量磁位，J表示电流密度，Γ表示积分路径的微元，Γ₃表示第三类边界条件；

有了泛函形式，在离散化的基础上，就可以写出各个区域的泛函的极值问题，即

其中，I表示泛函，A_i表示离散单元内的矢量磁位；

最后使用矩阵把上面各个离散区域的泛函极值问题表示出来，就会形成如下式子：

KU＝F

式中，K称为刚度矩阵，U表示待求解的变量，F表示边界条件。