利用电磁仿真软件研究雷击飞机效应

2016-12-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

差不多十年前,并没有防雷专业,所以,目前活跃于防雷领域的技术专家,绝大多数是曾经从事电子、通信、电力、计算机等方面的工程技术人员、设计人员,有些曾经接触过计算机辅助设计。这些年,计算机软件设计在防雷工程的应用主要是风险评估、避雷针布局、接地设计等方面,但防雷产品的设计,从元器件到组件,原理和结构都比较单一,除了CAD应用,SPD的设计不知用不用得上仿真软件。当然,周璧华教授领导的电磁脉冲防护研究另当别论。

当前,防雷技术的应用和产品研发不断地跟进电磁脉冲防护技术的需求(欧地安、华炜等企业都将此作为业务重点。)可见,雷电及电磁脉冲防护技术研发手段的提升也是必要的了。

这里推荐FEKO软件的雷击飞机仿真研究,是给防雷方面研发人员提供一点启发——通过方便的手段来提升产品技术的创新进度和企业的竞争优势,比如电磁脉冲防护产品的研究、天馈系统防雷产品的研究、接地系统的效果评估等等。

EMSS公司旗下的FEKO软件是一款强大的三维全波电磁仿真软件。

EMSS公司成立于上个世纪的九十年代初期,在创始人Gronum Smith博士领导下,将80年代盛行的数值方法矩量法(MOM)成功引入到FEKO,在此基础上又引入了多层快速多极子(MLFMM)[1],FEKO是世界上第一个把该方法推向市场的商业软件。该方法使得精确分析电大问题成为可能。FEKO支持有限元方法(FEM),并且将MLFMM与FEM混合求解,MLFMM+FEM混合算法可求解含高度非均匀介质电大尺寸问题。特别适合结构之间通过自由空间耦合的问题,MLFMM区域(例如辐射区域)和FEM区域(例如介质区域)之间的空间并不需要划分网格,这使得矩阵规模很小,因此需要的计算资源很少;FEKO采用基于高阶基函数(HOBF)的矩量法,支持采用大尺寸三角形单元来精确计算模型的电流分布,在保证精度的同时减少所需要的内存,缩短计算时间;FEKO还包含丰富的高频计算方法,如物理光学法(PO),大面元物理光学(Large elementPO),几何光学法(GO),一致性几何绕射理论(UTD)等,能够利用较少的资源快速求解超电大尺寸问题。基于强大的求解器,FEKO软件在电磁仿真分析领域尤其是电大尺寸问题的分析方面优势突出,成为电磁仿真领域的领军产品。

FEKO软件主要应用:

1、天线分析

2、共形天线设计

3、阵列天线设计、

4、天线罩分析设计

5、多天线布局分析

6、 RCS隐身分析[2]

7、生物电磁-SAR

8、复杂线缆束EMC

9、微波电路和射频器件

l0、系统的EMC(电磁兼容)

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基于CAE软件——FEKO的雷击飞机仿真研究

作者:宿志国张云峰王荣珠

本文主要通过FEKO电磁场仿真软件来阐述相关研究思路,介绍了飞机表面电流分布和电磁场对线缆耦合的CAE仿真方法。

1 引言

雷电是一种常见的天气现象,一般当雷暴云中的正、负电荷区在其中部位置产生的电场强度大于一定阈值时会击穿空气形成双向先导,先导分别进入正、负电荷区并逐渐发展进入大气从而形成闪电,并伴随强大的雷电电磁脉冲。然而,随着现代航空技术的飞速发展,现代飞行器越来越多地使用先进的电子设备和系统,这会使飞行器对外部强电磁环境更加敏感,一旦遭到雷击损失重大。因此,飞机的雷电效应试验逐渐成为航空飞机以及机载设备研制过程中一项重要的测试内容和验证手段,但此项试验往往费用高昂,消耗大量人力物力,而利用FEKO电磁仿真软件对其进行雷电效应CAE仿真,可以在仿真过程中及时发现问题,并为雷电试验提供较好的参考和指导。

当前国内外对飞行器雷电防护的研究已有很多,欧美等国率先把防雷击设计作为飞机适航的附加条件并取得了一系列较为成熟的研究成果,我国也参照欧美等飞机雷电防护体系颁布了相应的适航条例。在仿真方面,利用CST电磁计算软件对雷击飞机进行仿真,给出了磁场在机内的分布情况。采用VAM-LIFE电磁场计算工具对某型运输机进行仿真,得到了机内线缆感应电流仿真结果。相关文献给出了雷击飞机附着点的仿真结果。本文主要利用FEKO电磁场计算软件对雷击飞机进行CAE仿真研究。

2 FEKO软件与建模仿真介绍

2.1FEKO软件介绍

FEKO是一款用于设计天线和分析电磁兼容问题的电磁场CAE软件,其核心算法是矩量法,通过求解积分方程给出结果,理论上可以精确求解任意复杂媒质的电磁问题。FEKO主要包含CADFEKO、EDITFEKO和POSTFEKO三个主要组成部分。CADFEKO主要用于图形或CAD环境下创建和设置FEKO模型,包括几何形状定义和网格剖分,以及电磁参数和求解配置,并且还可以导入各种格式复杂的CAD模型并对其进行网格剖分。EDITFEKO是FEKO软件的高级用法,利用其中的“卡片”可以实现定义几何模型和设置求解参数等功能。POSTFEKO一般用于后处理,可以将求解得到的所有电磁场信息以二维或三维的形式显示出来,便于分析和研究。

需要指出的是,FEKO Suite 6.2之前的版本处理雷电时域问题非常不便,因为求解的雷电问题频率范围较广,需要在该范围内进行非常多的频点计算,然后通过傅里叶逆变换(IFFT)转换为时域结果,但之前版本缺乏这个后期处理能力,只能通过另外编写程序等途径来解决,这需要做大量工作且花费很多时间。而FEKO 6.2在POSTFEKO中加入了后期时域处理功能,这使得工作量大为简化。

2.2建模仿真介绍

建模包括几何建模和电磁建模两个方面,由于CADFEKO建模能力有限,对于大型复杂几何体,可以利用一些专业的CAD建模软件来完成,然后再通过CADFEKO将模型导入。电磁建模是对雷电激励源、飞机机身材料的电磁参数、机内设备的线缆构造以及仿真频率和求解参数等进行定义。

采用FEKO进行CAE仿真计算时,首先需要对模型进行网格剖分,然而对于大型复杂的几何模型来说,所剖分的面元网格越多,其仿真结果就越精确,但带来的后果是计算量加大,计算时间延长,对计算机的CPU和内存要求也更为苛刻。因此,仿真时需要对网格进行合理剖分,这样才能达到较为理想的效果。

3 飞机雷电间接效应仿真研究

飞机雷电间接效应是指雷电流产生的强电磁场以及与飞机相互作用使机内产生强瞬态电磁环境,耦合到机内设备和线路当中形成高电压和大电流,导致设备功能紊乱甚至损坏,并对机内人员生命和财产安全造成严重威胁。

3.1飞机雷电试验介绍

在飞行器的雷电试验中,一般采用低电平电流注入机身和下面铺设大接地导体板的方法,并利用专业的测试仪器对电缆中瞬态过电压进行测试。试验中为了能够模拟真实环境中飞机遭受雷击的情况,这就需要对雷电流注入点和飞机的导体回路路径进行设置。目前,虽然相关的工程经验和理论分析比较成熟,但这些仍然不够,还需要CAE仿真手段来对雷电试验的设计进行优化。

3.2雷击飞机间接效应仿真方法

本文主要对上述试验进行CAE仿真,文中所用飞机模型只是初步建立的曲面模型,机身为良导体,内部为自由空间,飞机座舱盖和天线罩为介质材料,雷击入口和出口如图1所示。

利用电磁仿真软件研究雷击飞机效应CST电磁培训教程图片1
图1 飞机在CADFEKO中的电磁模型

矩量法是频域算法,为了通过时域处理得到时域结果,CAE仿真需要对雷击飞机模型进行几百个频点的计算。而FEKO提供了包含单一频率、连续频率、线性空间离散点、对数空间离散点和一系列离散点等五种频率范围选项,并且其高级选项中包含了设置频率最大取样数和设置频率最小增量两种方式,这使得用户可以根据自己的实际需要来做出选择。本文选择连续频率范围一项,该项所有需要求解的结果都是在起始到结束频率范围内使用自适应抽样计算的。此对话框的高级选项中选择设置最大抽样数目,这样做可以有效限制求解数量并缩短运行时间。因为雷电主要频率范围在100Hz—50MHz,且能量主要集中在中低频,所以本文设置的频率为10KHz—10MHz,采样数为100。

对电流项的求解设置上,FEKO提供了全部电流、在指定标签上的电流、线元电流以及三角面元电流4种求解设置,本文仅计算三角面元上的电流。待电流项在CADFEKO中求解完成后,需要在POSTFEKO界面中加入雷电流波形A分量,设定电流峰值为1A,采样数目为1000,然后对上述设置进行傅里叶逆变换,最终得到时域结果。

电磁场对线缆的耦合仿真主要在CADFEKO中的电缆选项中完成。FEKO通过设置电缆截面来定义电缆类型,主要包括对单芯线、排线、双绞线以及同轴电缆的设置。而对电缆路径的设置主要是通过输入一系列三维坐标点来定义。CADFEKO的电缆示意图中可以添加电阻、电容和电感等多种常用元件,求解设置可以加入电压探针和电流探针来测量电路电压和电流。线缆的布局一般需要对线缆路径、线缆束类型、电缆类型、接头以及探针进行设定,FEKO对以上线缆布局可以自定义设置,最大程度地满足不同用户的线缆仿真需求。

本文设计了一个简化的雷电电磁场对机舱内线缆耦合的仿真示例来说明FEKO的线缆仿真,机舱为长方体,材质为理想导体,机舱内部和窗户均为自由空间,线缆为同轴电缆并位于舱内上方,且两端分别通过50欧姆的负载与舱顶连接,如图2所示。

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图2 机舱及内部线缆仿真示意图

4 CAE仿真结果与分析

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图3 雷电流A分量波形

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图4 机身表面雷电流分布

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图5 线缆感应电流

图3为测试所需雷电流波形。图4给出了雷电流在机身表面的分布情况,其中A图为0.3微秒时刻的机身表面雷电流强度分布图,B图为6.4微秒的电流强度分布图,从两图中可以发现飞机座舱盖附近和雷击出口处的电流强度要明显大于机身其他部位,而B图中机身表面电流强度要远大于A图,这分别与雷击入口设置和雷电流波形特点有关。C图和D图分别给出了6.4微秒机身表面雷电流强度和方向的两种视图,C图中雷电流强度和方向大致呈现轴对称状,这是由雷击入口位于轴线所决定。

图5中,A图表明了机舱内线缆感应电流随时间呈现一种震荡关系且逐渐减小,B给出了感应电流随频率的变化关系。

5 采用FEKO仿真计算的优点

5.1网格模型优化

由于矩量法是密集矩阵,其计算时间与内存均正比于网格数的三次方,因此网格模型优化对于减少计算机运行时间和内存是非常关键的。在飞机模型的网格剖分过程中,矩量法采用三角面元对其进行剖分,这使得飞机模型更接近目标几何,同时产生较少的网格数量,又能够保证较好的网格质量,最终在保持精确结果的前提下有效减少计算时间。

5.2低频稳定技术

FEKO 6.2新加入了低频稳定技术,在计算低频仿真问题时,结合低频稳定技术的单精度求解在保证结果准确的同时,还比双精度求解节省了大量计算内存,这对大模型的仿真计算是非常有利的。此处选取了150kHz计算频率分别采用单、双精度对上述飞机模型进行求解并做对比,在OUT输出文件中,结合低频稳定技术的单精度计算所需内存仅为710.787MByte,而双精度计算所需内存已经达到了1.382GByte。

5.3GPU加速

FEKO结合了一个混合CPU和GPU的加速技术来支持矩量法矩阵的LU分解。FEKO 6.2对于GPU加速有很大改进,这使得并行计算性能大幅增加,从而快速有效地解决大模型问题。目前,它主要支持单块显卡并行求解、多块显卡并行求解和集群GPU并行求解等。由于计算机硬件显卡不够,此项无法用实例证明。

5.4求解存储功能

矩量法的计算量很大,但FEKO的求解器有个优点,一旦仿真模型结构固定且求解频率不变,只要经过首次计算后,以后即使改变输入输出状态,再次计算就非常快。比如本文中的飞机模型进行单一频点并行求解时,首次计算需要5分钟左右,将雷击入口位置改变再次对该模型进行计算仅需几秒钟,这非常便于研究不同雷击入口和出口位置的表面电流分布以及其他电磁场信息。

6 结束语

采用FEKO电磁场计算软件对飞机雷电间接效应试验进行CAE仿真研究,对于雷电试验的优化设计和飞机的防雷设计有着重要的参考价值和应用价值。本文旨在对飞机雷电仿真方法进行介绍,后续工作将对飞机的模型和材质做较大改进,并对机身不同雷击附着点进行仿真研究,使CAE仿真更接近实际情况,从而为雷电试验提供更加准确的参考。

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