搜索利用電磁仿真軟件研究雷擊飛機效應
2016-12-02 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
差不多十年前,并沒有防雷專業,所以,目前活躍于防雷領域的技術專家,絕大多數是曾經從事電子、通信、電力、計算機等方面的工程技術人員、設計人員,有些曾經接觸過計算機輔助設計。這些年,計算機軟件設計在防雷工程的應用主要是風險評估、避雷針布局、接地設計等方面,但防雷產品的設計,從元器件到組件,原理和結構都比較單一,除了CAD應用,SPD的設計不知用不用得上仿真軟件。當然,周璧華教授領導的電磁脈沖防護研究另當別論。
當前,防雷技術的應用和產品研發不斷地跟進電磁脈沖防護技術的需求(歐地安、華煒等企業都將此作為業務重點。)可見,雷電及電磁脈沖防護技術研發手段的提升也是必要的了。
這里推薦FEKO軟件的雷擊飛機仿真研究,是給防雷方面研發人員提供一點啟發——通過方便的手段來提升產品技術的創新進度和企業的競爭優勢,比如電磁脈沖防護產品的研究、天饋系統防雷產品的研究、接地系統的效果評估等等。
EMSS公司旗下的FEKO軟件是一款強大的三維全波電磁仿真軟件。
EMSS公司成立于上個世紀的九十年代初期,在創始人Gronum Smith博士領導下,將80年代盛行的數值方法矩量法(MOM)成功引入到FEKO,在此基礎上又引入了多層快速多極子(MLFMM)[1],FEKO是世界上第一個把該方法推向市場的商業軟件。該方法使得精確分析電大問題成為可能。FEKO支持有限元方法(FEM),并且將MLFMM與FEM混合求解,MLFMM+FEM混合算法可求解含高度非均勻介質電大尺寸問題。特別適合結構之間通過自由空間耦合的問題,MLFMM區域(例如輻射區域)和FEM區域(例如介質區域)之間的空間并不需要劃分網格,這使得矩陣規模很小,因此需要的計算資源很少;FEKO采用基于高階基函數(HOBF)的矩量法,支持采用大尺寸三角形單元來精確計算模型的電流分布,在保證精度的同時減少所需要的內存,縮短計算時間;FEKO還包含豐富的高頻計算方法,如物理光學法(PO),大面元物理光學(Large elementPO),幾何光學法(GO),一致性幾何繞射理論(UTD)等,能夠利用較少的資源快速求解超電大尺寸問題。基于強大的求解器,FEKO軟件在電磁仿真分析領域尤其是電大尺寸問題的分析方面優勢突出,成為電磁仿真領域的領軍產品。
FEKO軟件主要應用:
1、天線分析
2、共形天線設計
3、陣列天線設計、
4、天線罩分析設計
5、多天線布局分析
6、 RCS隱身分析[2]
7、生物電磁-SAR
8、復雜線纜束EMC
9、微波電路和射頻器件
l0、系統的EMC(電磁兼容)
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基于CAE軟件——FEKO的雷擊飛機仿真研究
作者:宿志國 張云峰 王榮珠
本文主要通過FEKO電磁場仿真軟件來闡述相關研究思路,介紹了飛機表面電流分布和電磁場對線纜耦合的CAE仿真方法。
1 引言
雷電是一種常見的天氣現象,一般當雷暴云中的正、負電荷區在其中部位置產生的電場強度大于一定閾值時會擊穿空氣形成雙向先導,先導分別進入正、負電荷區并逐漸發展進入大氣從而形成閃電,并伴隨強大的雷電電磁脈沖。然而,隨著現代航空技術的飛速發展,現代飛行器越來越多地使用先進的電子設備和系統,這會使飛行器對外部強電磁環境更加敏感,一旦遭到雷擊損失重大。因此,飛機的雷電效應試驗逐漸成為航空飛機以及機載設備研制過程中一項重要的測試內容和驗證手段,但此項試驗往往費用高昂,消耗大量人力物力,而利用FEKO電磁仿真軟件對其進行雷電效應CAE仿真,可以在仿真過程中及時發現問題,并為雷電試驗提供較好的參考和指導。
當前國內外對飛行器雷電防護的研究已有很多,歐美等國率先把防雷擊設計作為飛機適航的附加條件并取得了一系列較為成熟的研究成果,我國也參照歐美等飛機雷電防護體系頒布了相應的適航條例。在仿真方面,利用CST電磁計算軟件對雷擊飛機進行仿真,給出了磁場在機內的分布情況。采用VAM-LIFE電磁場計算工具對某型運輸機進行仿真,得到了機內線纜感應電流仿真結果。相關文獻給出了雷擊飛機附著點的仿真結果。本文主要利用FEKO電磁場計算軟件對雷擊飛機進行CAE仿真研究。
2 FEKO軟件與建模仿真介紹
2.1FEKO軟件介紹
FEKO是一款用于設計天線和分析電磁兼容問題的電磁場CAE軟件,其核心算法是矩量法,通過求解積分方程給出結果,理論上可以精確求解任意復雜媒質的電磁問題。FEKO主要包含CADFEKO、EDITFEKO和POSTFEKO三個主要組成部分。CADFEKO主要用于圖形或CAD環境下創建和設置FEKO模型,包括幾何形狀定義和網格剖分,以及電磁參數和求解配置,并且還可以導入各種格式復雜的CAD模型并對其進行網格剖分。EDITFEKO是FEKO軟件的高級用法,利用其中的“卡片”可以實現定義幾何模型和設置求解參數等功能。POSTFEKO一般用于后處理,可以將求解得到的所有電磁場信息以二維或三維的形式顯示出來,便于分析和研究。
需要指出的是,FEKO Suite 6.2之前的版本處理雷電時域問題非常不便,因為求解的雷電問題頻率范圍較廣,需要在該范圍內進行非常多的頻點計算,然后通過傅里葉逆變換(IFFT)轉換為時域結果,但之前版本缺乏這個后期處理能力,只能通過另外編寫程序等途徑來解決,這需要做大量工作且花費很多時間。而FEKO 6.2在POSTFEKO中加入了后期時域處理功能,這使得工作量大為簡化。
2.2建模仿真介紹
建模包括幾何建模和電磁建模兩個方面,由于CADFEKO建模能力有限,對于大型復雜幾何體,可以利用一些專業的CAD建模軟件來完成,然后再通過CADFEKO將模型導入。電磁建模是對雷電激勵源、飛機機身材料的電磁參數、機內設備的線纜構造以及仿真頻率和求解參數等進行定義。
采用FEKO進行CAE仿真計算時,首先需要對模型進行網格剖分,然而對于大型復雜的幾何模型來說,所剖分的面元網格越多,其仿真結果就越精確,但帶來的后果是計算量加大,計算時間延長,對計算機的CPU和內存要求也更為苛刻。因此,仿真時需要對網格進行合理剖分,這樣才能達到較為理想的效果。
3 飛機雷電間接效應仿真研究
飛機雷電間接效應是指雷電流產生的強電磁場以及與飛機相互作用使機內產生強瞬態電磁環境,耦合到機內設備和線路當中形成高電壓和大電流,導致設備功能紊亂甚至損壞,并對機內人員生命和財產安全造成嚴重威脅。
3.1飛機雷電試驗介紹
在飛行器的雷電試驗中,一般采用低電平電流注入機身和下面鋪設大接地導體板的方法,并利用專業的測試儀器對電纜中瞬態過電壓進行測試。試驗中為了能夠模擬真實環境中飛機遭受雷擊的情況,這就需要對雷電流注入點和飛機的導體回路路徑進行設置。目前,雖然相關的工程經驗和理論分析比較成熟,但這些仍然不夠,還需要CAE仿真手段來對雷電試驗的設計進行優化。
3.2雷擊飛機間接效應仿真方法
本文主要對上述試驗進行CAE仿真,文中所用飛機模型只是初步建立的曲面模型,機身為良導體,內部為自由空間,飛機座艙蓋和天線罩為介質材料,雷擊入口和出口如圖1所示。
圖1 飛機在CADFEKO中的電磁模型
矩量法是頻域算法,為了通過時域處理得到時域結果,CAE仿真需要對雷擊飛機模型進行幾百個頻點的計算。而FEKO提供了包含單一頻率、連續頻率、線性空間離散點、對數空間離散點和一系列離散點等五種頻率范圍選項,并且其高級選項中包含了設置頻率最大取樣數和設置頻率最小增量兩種方式,這使得用戶可以根據自己的實際需要來做出選擇。本文選擇連續頻率范圍一項,該項所有需要求解的結果都是在起始到結束頻率范圍內使用自適應抽樣計算的。此對話框的高級選項中選擇設置最大抽樣數目,這樣做可以有效限制求解數量并縮短運行時間。因為雷電主要頻率范圍在100Hz—50MHz,且能量主要集中在中低頻,所以本文設置的頻率為10KHz—10MHz,采樣數為100。
對電流項的求解設置上,FEKO提供了全部電流、在指定標簽上的電流、線元電流以及三角面元電流4種求解設置,本文僅計算三角面元上的電流。待電流項在CADFEKO中求解完成后,需要在POSTFEKO界面中加入雷電流波形A分量,設定電流峰值為1A,采樣數目為1000,然后對上述設置進行傅里葉逆變換,最終得到時域結果。
電磁場對線纜的耦合仿真主要在CADFEKO中的電纜選項中完成。FEKO通過設置電纜截面來定義電纜類型,主要包括對單芯線、排線、雙絞線以及同軸電纜的設置。而對電纜路徑的設置主要是通過輸入一系列三維坐標點來定義。CADFEKO的電纜示意圖中可以添加電阻、電容和電感等多種常用元件,求解設置可以加入電壓探針和電流探針來測量電路電壓和電流。線纜的布局一般需要對線纜路徑、線纜束類型、電纜類型、接頭以及探針進行設定,FEKO對以上線纜布局可以自定義設置,最大程度地滿足不同用戶的線纜仿真需求。
本文設計了一個簡化的雷電電磁場對機艙內線纜耦合的仿真示例來說明FEKO的線纜仿真,機艙為長方體,材質為理想導體,機艙內部和窗戶均為自由空間,線纜為同軸電纜并位于艙內上方,且兩端分別通過50歐姆的負載與艙頂連接,如圖2所示。
圖2 機艙及內部線纜仿真示意圖
4 CAE仿真結果與分析
圖3 雷電流A分量波形
圖4 機身表面雷電流分布
圖5 線纜感應電流
圖3為測試所需雷電流波形。圖4給出了雷電流在機身表面的分布情況,其中A圖為0.3微秒時刻的機身表面雷電流強度分布圖,B圖為6.4微秒的電流強度分布圖,從兩圖中可以發現飛機座艙蓋附近和雷擊出口處的電流強度要明顯大于機身其他部位,而B圖中機身表面電流強度要遠大于A圖,這分別與雷擊入口設置和雷電流波形特點有關。C圖和D圖分別給出了6.4微秒機身表面雷電流強度和方向的兩種視圖,C圖中雷電流強度和方向大致呈現軸對稱狀,這是由雷擊入口位于軸線所決定。
圖5中,A圖表明了機艙內線纜感應電流隨時間呈現一種震蕩關系且逐漸減小,B給出了感應電流隨頻率的變化關系。
5 采用FEKO仿真計算的優點
5.1網格模型優化
由于矩量法是密集矩陣,其計算時間與內存均正比于網格數的三次方,因此網格模型優化對于減少計算機運行時間和內存是非常關鍵的。在飛機模型的網格剖分過程中,矩量法采用三角面元對其進行剖分,這使得飛機模型更接近目標幾何,同時產生較少的網格數量,又能夠保證較好的網格質量,最終在保持精確結果的前提下有效減少計算時間。
5.2低頻穩定技術
FEKO 6.2新加入了低頻穩定技術,在計算低頻仿真問題時,結合低頻穩定技術的單精度求解在保證結果準確的同時,還比雙精度求解節省了大量計算內存,這對大模型的仿真計算是非常有利的。此處選取了150kHz計算頻率分別采用單、雙精度對上述飛機模型進行求解并做對比,在OUT輸出文件中,結合低頻穩定技術的單精度計算所需內存僅為710.787MByte,而雙精度計算所需內存已經達到了1.382GByte。
5.3GPU加速
FEKO結合了一個混合CPU和GPU的加速技術來支持矩量法矩陣的LU分解。FEKO 6.2對于GPU加速有很大改進,這使得并行計算性能大幅增加,從而快速有效地解決大模型問題。目前,它主要支持單塊顯卡并行求解、多塊顯卡并行求解和集群GPU并行求解等。由于計算機硬件顯卡不夠,此項無法用實例證明。
5.4求解存儲功能
矩量法的計算量很大,但FEKO的求解器有個優點,一旦仿真模型結構固定且求解頻率不變,只要經過首次計算后,以后即使改變輸入輸出狀態,再次計算就非常快。比如本文中的飛機模型進行單一頻點并行求解時,首次計算需要5分鐘左右,將雷擊入口位置改變再次對該模型進行計算僅需幾秒鐘,這非常便于研究不同雷擊入口和出口位置的表面電流分布以及其他電磁場信息。
6 結束語
采用FEKO電磁場計算軟件對飛機雷電間接效應試驗進行CAE仿真研究,對于雷電試驗的優化設計和飛機的防雷設計有著重要的參考價值和應用價值。本文旨在對飛機雷電仿真方法進行介紹,后續工作將對飛機的模型和材質做較大改進,并對機身不同雷擊附著點進行仿真研究,使CAE仿真更接近實際情況,從而為雷電試驗提供更加準確的參考。
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