 |
امضای مغناطیسی یک زیردریایی
معرفی
کشتی‌ای که روی سطح یا زیر آب حرکت می‌کند، باعث ایجاد اختلالات محلی قابل تشخیص در میدان مغناطیسی زمین می‌شود. از این اختلالات می توان برای راه اندازی سیستم های تسلیحاتی استفاده کرد. امضای مغناطیسی یک کشتی را می توان با ایجاد یک میدان مغناطیسی متقابل با قدرت و جهت مناسب بر اساس دانش قبلی از خواص مغناطیسی کشتی کاهش داد. بنابراین یک گام مهم در طراحی یک کشتی نیروی دریایی، پیش بینی امضای مغناطیسی آن است. یکی دیگر از کاربردهایی که در آن امضاهای مغناطیسی اهمیت زیادی دارند، در کنترل ترافیک شهری است: سنسورهای مغناطیسی، مدفون در خیابان‌های ما، برای سنجش وسایل نقلیه و کنترل چراغ‌های راهنمایی استفاده می‌شوند.
کشتی ها و اتومبیل ها هر دو تا حد زیادی از ورق فلز ساخته شده اند. این امر شبیه سازی آنها را با استفاده از تجزیه و تحلیل المان محدود استاندارد دشوار می کند زیرا مش های حجمی ساختارهای نازک توسعه یافته به سختی تولید می شوند و تمایل دارند بسیار بزرگ شوند. این نرم افزار یک تکنیک قدرتمند را نشان می دهد که با مدل سازی ورق فلزی به عنوان چهره های دوبعدی تعبیه شده در یک هندسه سه بعدی، مشکل را دور می زند. بنابراین، علاوه بر مش حجمی سه بعدی که برای محیط اطراف استفاده می شود، فقط لازم است که مش های دوبعدی نسبتا ارزان قیمت ایجاد شود. سپس یک طرح مماس از معادله 3 بعدی بر روی مش چهره 2 بعدی حل می شود.
شکل 1: زیردریایی HMAS Collins. تصویر توسط Kockums AB.
این نرم افزار همچنین استفاده از فرمول میدان کاهش یافته موجود در ماژول AC/DC را نشان می دهد. این ویژگی راه مناسبی را برای به دست آوردن امضای مغناطیسی زیردریایی با اجازه دادن به کاربر برای تعریف میدان پس‌زمینه به‌عنوان یک کمیت از پیش تعریف‌شده و حل تنها برای اغتشاشات در این زمینه، فراهم می‌کند.
تعریف مدل
در مسائل مغناطیس استاتیکی که هیچ جریانی وجود ندارد، مشکل را می توان با استفاده از پتانسیل مغناطیسی اسکالر حل کرد. این برنامه یک تکنیک ویژه برای مدلسازی ورق‌های نازک مواد با نفوذپذیری بالا را نشان می‌دهد و همچنین استفاده از فرمول‌بندی میدان کاهش‌یافته در ماژول AC/DC را برای مدلسازی راحت آشفتگی‌ها در یک میدان پس‌زمینه شناخته شده نشان می‌دهد.
هندسه مدل در شکل 2 نشان داده شده است و شامل اشیاء صورت است که زیردریایی را نشان می دهد. یک جعبه سه بعدی که نشان دهنده آب اطراف است، کشتی را محصور می کند.
شکل 2: هندسه مدل.
معادلات دامنه
در یک منطقه عاری از جریان، که در آن
می توان پتانسیل مغناطیسی اسکالر V m را از این رابطه تعریف کرد
این مشابه تعریف پتانسیل الکتریکی برای میدان های الکتریکی ساکن است. با استفاده از رابطه سازنده بین چگالی شار مغناطیسی و میدان مغناطیسی
همراه با معادله
می توانید معادله ای برای V m بدست آورید ،
در این مدل شما از فرمول میدان کاهش‌یافته استفاده می‌کنید، به این معنی که شما فقط پتانسیل V m مربوط به میدان اغتشاش (کاهش‌شده) را حل می‌کنید، بنابراین معادله‌ای که حل می‌کنید خوانده می‌شود.
که در آن B ext یک میدان پس زمینه شناخته شده است، در این مورد میدان مغناطیسی زمین 0.5 G است.
شرایط مرزی
مرزهای بیرونی جعبه برای کاهش میدان مغناطیسی عایق هستند:
روی اشیای صورت که نمایانگر بدنه زیردریایی هستند، یک طرح مماس دوبعدی از معادله دامنه سه بعدی را اعمال می کنید که در آن ضخامت و نفوذپذیری بدنه به عنوان پارامتر معرفی می شود. این به آسانی در فرمول مورد استفاده به عنوان یک شرایط مرزی محافظ موجود است که برای مدلسازی ورق‌های نازک بسیار نفوذپذیر مفید است. شرایط مرزی مربوطه در رابط‌های جریان‌های الکتریکی و الکترواستاتیک برای مدلسازی ورق‌های نازک با رسانایی بالا و گذردهی بالا به ترتیب موجود است.
نتایج و بحث
شکل 3 چگالی شار مغناطیسی کل را در یک نمودار برش افقی 12.5 متر زیر کیل زیردریایی نشان می دهد. یک آشفتگی میدانی مشخص به دلیل وجود کشتی قابل مشاهده است. مقدار و جهت میدان مغناطیسی مماسی در بدنه کشتی با استفاده از فلش نشان داده شده است. میدان کاهش یافته به صورت سطوح ایزوله پتانسیل مغناطیسی کاهش یافته تجسم می شود. این تصویر خوبی از اغتشاش ناشی از حضور زیردریایی در زمینه پس زمینه به دست می دهد.
شکل 3: نمودار رنگی برش، چگالی کل شار مغناطیسی را نشان می دهد (افسانه رنگ سمت راست). فلش ها جهت و قدرت میدان مغناطیسی مماسی در بدنه را نشان می دهد. سطوح ایزوله پتانسیل مغناطیسی کاهش یافته را نشان می دهد (افسانه رنگ سمت چپ).
مسیر کتابخانه برنامه: ACDC_Module/Introductory_Magnetostatics/magnetic_signature_submarine
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، AC/DC>Magnetic Fields، No Currents>Magnetic Fields، No Currents (mfnc) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
یک پارامتر برای قدرت میدان ژئومغناطیسی تعریف کنید.
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
gB | -5e-5[T] | -5E-5 T | میدان ژئومغناطیسی |
هندسه 1
دنباله هندسی را از فایل magnetic_signature_submarine_geom_sequence.mph وارد کنید .
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی Insert Sequence کلیک کنید و Insert Sequence را انتخاب کنید . |
2 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل magnetic_signature_submarine_geom_sequence.mph دوبار کلیک کنید . |
زیردریایی (uni1)
گزینه “انتخاب اشیاء حاصل” را علامت بزنید تا “انتخاب مرز” را که مربوط به بدنه زیردریایی برای استفاده بعدی است، تعریف کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Geometry 1 روی Submarine (uni1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Union ، قسمت Selections of Resulting Entities را پیدا کنید . |
3 | تیک گزینه Resulting objects selection را انتخاب کنید . |
4 | از فهرست نمایش در فیزیک ، انتخاب مرز را انتخاب کنید . |
فرم اتحادیه (فین)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن همه کلیک کنید . |
2 |  روی دکمه Wireframe Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
مواد
مواد دامنه
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، Domain material را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Material Properties را پیدا کنید . در درخت خواص مواد ، Basic Properties>Relative Permeability را انتخاب کنید . |
4 |  روی افزودن به مواد کلیک کنید . |
5 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
نفوذپذیری نسبی | mur_eye ; murii = mur_iso، murij = 0 | 1 | 1 | پایه ای |
فلز بدنه
1 | روی Materials کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، Hull metal را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
انتخاب مرز با نام «زیردریایی» را همانطور که قبلاً تعریف شد انتخاب کنید.
3 | قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | از لیست انتخاب ، Submarine را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Material Properties را پیدا کنید . در درخت خواص مواد ، Basic Properties>Relative Permeability را انتخاب کنید . |
6 |  روی افزودن به مواد کلیک کنید . |
7 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
نفوذپذیری نسبی | mur_eye ; murii = mur_iso، murij = 0 | 700 | 1 | پایه ای |
میدان های مغناطیسی، بدون جریان (MFNC)
یک میدان مغناطیسی پس زمینه مطابق با میدان ژئومغناطیسی زمین اعمال کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی قسمت Magnetic Fields, No Currents (mfnc) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای میدان های مغناطیسی ، بدون جریان ، بخش زمینه مغناطیسی پس زمینه را پیدا کنید . |
3 | از لیست حل برای ، فیلد کاهش یافته را انتخاب کنید . |
4 | بردار H b را به صورت مشخص کنید |
0 | ایکس |
0 | y |
gB/mu0_const | z |
ویژگی External Magnetic Flux Density شرایط مرزی مطابق با زمینه مشخص شده را تحمیل می کند.
چگالی شار مغناطیسی خارجی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و External Magnetic Flux Density را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای چگالی شار مغناطیسی خارجی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه مرزها را انتخاب کنید . |
پتانسیل اسکالر مغناطیسی صفر 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Points کلیک کنید و Zero Magnetic Scalar Potential را انتخاب کنید . |
2 | فقط نقطه 3 را انتخاب کنید. |
ویژگی محافظ مغناطیسی یک لایه نازک از مواد با گذردهی بالا، مانند فلزی که بدنه زیردریایی را تشکیل می دهد، مدل می کند.
محافظ مغناطیسی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Magnetic Shielding را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای محافظ مغناطیسی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، Submarine را انتخاب کنید . |
4 | بخش محافظ مغناطیسی را پیدا کنید . در قسمت متن d 0.05 را تایپ کنید . |
5 |  روی دکمه Wireframe Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
مرزهای حوزه آب را پنهان کنید تا فقط زیردریایی نشان داده شود.
6 | در نوار ابزار Graphics ، روی دکمه Click and Hide کلیک کنید . |
7 | در نوار ابزار Graphics ، روی دکمه Select Boundaries کلیک کنید . |
8 | مرزهای بیرونی جعبه (مرزهای 1، 2 و 4) را انتخاب کنید. |
9 | در نوار ابزار Graphics ، دوباره روی دکمه Click and Hide کلیک کنید تا غیرفعال شود. |
مش 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled Mesh را پیدا کنید . |
3 | از فهرست اندازه عنصر ، Finer را انتخاب کنید . |
این تنظیمات به اندازه کافی منطقه اطراف بدنه زیردریایی را حل می کند.
4 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
5 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
مطالعه 1
تولید خودکار نمودارهای پیش فرض را غیرفعال کنید. در عوض، زمانی که حل کننده به پایان رسید، یک نمودار سفارشی ایجاد خواهید کرد.
1 | در پنجره Model Builder ، روی Study 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | تیک Generate defaults defaults را پاک کنید . |
4 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
گروه طرح سه بعدی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results را گسترش دهید . |
2 | روی Results کلیک راست کرده و 3D Plot Group را انتخاب کنید . |
3 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
4 | کادر بررسی لبه های مجموعه داده Plot را پاک کنید . |
برش 1
1 | روی 3D Plot Group 1 کلیک راست کرده و Slice را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Slice ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Magnetic Fields، No Currents>Magnetic>mfnc.normB – Norm چگالی شار مغناطیسی – T را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Plane Data را پیدا کنید . از لیست Plane ، xy-planes را انتخاب کنید . |
4 | از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن مختصات z ، -15 را تایپ کنید . |
یک فیلتر برای رسم برش فقط در مجاورت زیردریایی اضافه کنید.
فیلتر 1
1 | بر روی Slice 1 کلیک راست کرده و Filter را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فیلتر ، قسمت انتخاب عنصر را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Logical عبارت for inclusion text، abs(x)<(tl*.8)&&abs(y)<(r*5) را تایپ کنید . |
ایزورفیس 1
در پنجره Model Builder ، روی 3D Plot Group 1 کلیک راست کرده و Isosurface را انتخاب کنید .
یک فیلتر دیگر اضافه کنید تا سطوح هم سطح را برش دهید و بدنه زیردریایی را در داخل نشان دهید.
فیلتر 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Isosurface 1 راست کلیک کرده و Filter را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فیلتر ، قسمت انتخاب عنصر را پیدا کنید . |
3 | در قسمت عبارت Logical for inclusion متن، x>0 را تایپ کنید . |
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی 3D Plot Group 1 کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Expression text، 1 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست Coloring ، Uniform را انتخاب کنید . |
5 | از لیست رنگ ، سیاه را انتخاب کنید . |
انتخاب 1
1 | روی Surface 1 کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، Submarine را انتخاب کنید . |
سطح پیکان 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی 3D Plot Group 1 کلیک راست کرده و Arrow Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای سطح پیکان ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Magnetic Fields, No Currents>Magnetic>mfnc.tBx,…,mfnc.tBz – Tangential flux magnetic density را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست رنگ ، سفید را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار 3D Plot Group 1 ، روی  Plot کلیک کنید . |
5 |  روی دکمه Go to Default View در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
نمودار اثر بدنه زیردریایی را بر میدان ژئومغناطیسی نشان می دهد.
