CN102004810B - 带导电橡胶的电子设备机箱电磁屏效多场耦合仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带导电橡胶的电子设备机箱的电磁屏效仿真方法，主要解决现有技术屏效仿真时无法仿真导电橡胶的问题。其步骤是：建立机箱屏效的多场耦合理论模型；将Pro/E建立的机箱实体模型，导入Ansys计算结构位移；将结构网格转化为电磁网格并导入Feko软件；测量导电橡胶的转移阻抗，计算电导率，并确定其它电参数；将实体模型导入IcePak，计算机箱内各器件的温度；根据温度，通过器件辐射电场随温度变化曲线，确定激励源的幅度；在FEKO中设置导电橡胶的参数和激励源的幅度，计算机箱外观测点的电场值；将该电场值带入多场耦合理论模型，得出机箱的屏效。本发明能够仿真带导电橡胶的电子设备机箱的电磁屏效，可用于指导机箱结构的电磁兼容性设计。

Description

带导电橡胶的电子设备机箱电磁屏效多场耦合仿真方法

技术领域

本发明属于电子设备技术领域，涉及高密度机箱的电磁屏效仿真，可用于判断机箱的电磁屏效是否满足设计要求，指导电子设备机箱的设计。

背景技术

随着无线电电子技术在上世纪中期以来的迅猛发展，电子设备在各个领域应用广泛，而机箱结构作为电子设备各个器件的物理总成和承载平台，也得到广泛应用。现代机箱的设计都有电磁兼容要求，主要指标是机箱的电磁屏效。

机箱表面由于安装各种开关、仪表盘、线缆等，必然开有孔缝，这些都会导致电磁泄漏。不同尺寸、形状和排列孔缝的电磁屏效，都有公式表述。假设某金属机箱有n处泄漏途径，每处的屏效为SE_i，则综合考虑诸多因素的机箱屏效为：

$\mathrm{SE}=-20\lg \left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{10}^{-{\mathrm{SE}}_i/20}\right)$

上式的实际物理意义是，金属机箱的屏效是由屏效最低的泄漏途径决定的。

在结构设计领域，长期沿用上面的公式。由于各种泄漏途径的作用原理还不是特别清楚，SE_i计算偏差较大，该公式的精度不高，只能定性的判断屏效，而无法准确的定量预测，故工程中较多使用实验测量的方法来评估机箱屏效，因而也称电磁兼容为一门实验科学。很多时候采取试凑的方法，尽管不清楚泄漏的关键，但是使用一切可能的方法，例如使用屏蔽玻璃代替普通玻璃，用密织的金属丝网封闭较大的孔缝，用波导通风窗代替普通通风孔，或者使用其它冷却方式，将机箱完全封闭，再用导电橡胶或衬垫密封接触缝隙，使用各种高性能的屏蔽材料，或者直接在机箱内部加入吸波材料以抑制机箱谐振、减小泄漏。工程实践表明：这样往往可以满足设计要求的屏效指标。但是也造成了很大的浪费，并不是一种经济有效的结构设计方法。至于实际工作中的电子设备的屏效更是只能采用测量的方法获得，因而电磁兼容性测试也是研究的热点。

由于实验费时费力，且受硬件条件的限制，随着数值分析手段的发展，现在越来越多的工程技术人员开始通过仿真来预测屏效。常见数值分析方法的有时域有限差分法FDTD，有限元法FEM，矩量法MOM，实验表明这些数值方法在仿真单一因素的屏效时具有较高的精度。但是在考虑实际多因素时的仿真仍然困难，例如加入导电橡胶的机箱，机箱结合处的接触缝隙，机箱受外力变形，内部电子器件发热等因素，现有的仿真方法和软件都无法处理。

发明内容

本发明的目的是解决目前电子设备机箱电磁屏效仿真中的由于影响因素众多导致仿真困难和误差较大的问题，提出了一种带导电橡胶的电子设备机箱电磁屏效多场耦合仿真方法，实现多因素影响下的对电子设备机箱电磁屏效的准确仿真，为机箱结构的设计提供参考。

实现本发明目的的技术方案是，在充分研究机箱的机电热三场作用原理的基础上，给出三场耦合的数学模型，该模型可以综合考虑机箱结构参数，温度对电磁器件的影响、机箱结构受外载荷变形、导电橡胶这些因素作用下的机箱电磁屏效；根据此三场耦合模型，使用仿真软件对机箱进行电磁分析，最终计算机箱的电磁屏效。具体步骤包括如下：

(1)建立电子设备机箱电磁屏效的多场耦合理论模型：

$\mathrm{SE}=20\log \frac{\left|\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i^0\left(e_i\right)\right|}{\left|\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i(e_i\left(T\right),Z_T\left(\mathrm{freq}\right),\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\β}\right))\right|}$

其中，M表示内部器件个数，为无机箱时第i个器件辐射的电场值，E_i(e_i)为有机箱时第i个器件辐射的电场值，T为器件发热的温度，Z_T为导电橡胶的转移阻抗，它是频率freq的函数，δ(β)为结构位移，β为表示孔、缝的结构参数；

(2)根据电子设备机箱的实际结构尺寸，利用商用建模软件建立的机箱的三维实体模型；

(3)将三维实体模型导入结构力学分析软件Ansys Workbench 11.0，设置材料属性，划分结构网格，加载外部载荷，进行结构分析计算，得出机箱结构位移δ(β)；

(4)提取机箱结构位移δ(β)，根据结构网格，进行结构位移场和电磁场之间的网格转化，得到用于电磁分析的网格；

(5)将电磁网格导入电磁分析软件FEKO，设置材料属性；

(6)确定导电橡胶的4个电参数：电导率、相对介电常数、相对磁导率和电磁损耗角，并在FEKO软件中设置，其中电导率由实测的转移阻抗Z_T计算；

(7)将机箱的三维实体模型导入热分析软件IcePak，设置材料属性、加载热源、划分网格，计算机箱内部的温度分布，并输出机箱内部各个器件的温度数据T；

(8)测试并绘制器件辐射电场随温度变化曲线，得到无机箱时的各个器件辐射场值同时根据各个器件的温度数据T，确定电磁分析所需的激励源的幅度；

(9)在电磁分析软件FEKO中，设置激励源幅度、导电橡胶的电导率、划分计算网格、设置求解区域、使用矩量法MOM，计算机箱外观测点的场强；

(10)根据机箱外观测点的场强，利用机箱电磁屏效的多场耦合理论模型，计算机箱的电磁屏效。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明在机箱屏效的仿真中，根据实际测试的导电橡胶的转移阻抗，建立其仿真分析模型，从而解决了箱体结构导电橡胶难以建模仿真的难题；

2.本发明在机箱屏效的仿真中，通过建立机箱屏效的多场耦合模型，不但能够考虑常规结构参数，还能够分析器件发热，以及机箱结构变形对屏效的影响，从而能够分析多种因素下的机箱电磁屏效。

附图说明

图1是本发明电子设备机箱电磁屏效仿真的总流程图；

图2是本发明结构位移场和电磁场网格转化的子流程图；

图3是本发明确定导电橡胶电参数的子流程图；

图4是本发明使用的电子装备机箱结构示意图；

图5是本发明使用的网格转化三角化处理示意图；

图6是对图2中实体单元提取表面网格流程图；

图7是本发明仿真实例含导电橡胶机箱结构示意图；

图8是本发明仿真实例的FEKO软件模型图；

图9是本发明仿真实例导电橡胶的转移阻抗曲线图；

图10是本发明仿真实例导电橡胶的电导率曲线图；

图11是本发明仿真实例在不同导电橡胶压缩率下的机箱屏效曲线图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明的具体步骤如下：

步骤1，建立电子设备机箱电磁屏效的机电热三场耦合理论模型。

(1.1)机箱电磁屏效的基本计算公式

对如图4所示的某电子设备机箱，设其内有M个电磁器件，设距离机箱中心d的观测点为p，有、无机箱时的P点电场强幅度分别为

和

定义机箱屏效为：

$\mathrm{SE}=20\log \frac{\left|\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_i^0\left(e_i\right)\right|}{\left|\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_i\left(e_i\right)\right|}---<1>$

其中，E_i(e_i)为第i个器件发射的电场强度；

(1.2)综合考虑导电橡胶、结构孔缝、变形及温度这些因素，将机箱屏效式1修正为：

$\mathrm{SE}=20\log \frac{\left|\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_i^0\left(e_i\right)\right|}{|\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_i(e_i\left(T\right),Z_T\left(\mathrm{freq}\right),\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&beta;}\right))}---<2>$

其中，T为器件发热的温度，Z_T为导电橡胶的转移阻抗，它是频率freq的函数，δ(β)为结构位移，β表示孔、缝的结构参数，包括孔的直径和中心点坐标，缝的长、宽和中心点坐标；

式2反映了导电橡胶的转移阻抗、结构位移、温度分布以及结构参数与机箱屏效的关系，由于涉及结构位移场、电磁场和温度场，故称为机箱屏效的机电热三场耦合理论模型。

步骤2，建立电子设备机箱的三维实体模型。

根据电子设备机箱的实际结构尺寸，利用Pro/E软件建立的机箱的三维实体模型，该模型包括机箱的长、宽、高，散热孔缝、风扇的数量、位置和尺寸，内部吸波材料的尺寸和位置，机箱内部的各个主要元器件的位置，内部支撑结构分布，在建模时应对实际模型进行适当的简化，例如螺栓孔、销钉、卡槽等局部微小结构都可以省略，以降低建模和后续各种分析的工作量。

步骤3，利用三维实体模型计算机箱结构位移δ(β)。

将初步的机箱三维实体模型，导入商用软件Ansys Workbench 11.0进行力学有限元分析。根据使用要求，加入各种外部载荷，主要是振动冲击载荷。我国有详细的振动试验规范和标准，如标准GB/T2423.11中给出了宽带随机振动严酷等级的一般要求，标准GJB150.16-86及GJB150.18-86《军用设备环境试验方法》中规定了详细的振动与冲击实验方法，并对产品在运输和使用的振动环境做了详细地分类。根据这些标准，对电子设备加载各种载荷仿真相应的振动环境，通过软件分析得到需要的结构力学参数和机箱结构位移，并将分析结果整理成力学分析的数据文件，数据文件中包括机箱结构位移δ(β)。

步骤4，结构位移场和电磁场之间的网格转化。

从力学分析的结果文件中提取机箱变形后的网格信息，进行结构位移场和电磁场之间的网格转化，得到用于电磁分析的网格模型，主要目的是将变形后的机箱模型传递到电磁分析软件FEKO中，

参照图2，结构位移场和电磁场之间的网格转化的具体步骤如下：

(4.1)从机箱的结构位移中提取每一个单元的位移信息，包括单元结点编号和结点位移；

(4.2)对所提取单元进行判断，在进行结构有限元分析时，机箱结构常采用的单元类型是：板单元、壳单元和体单元，板壳单元主要有三角形板壳单元和四边形板壳单元，体单元则主要有四面体单元和六面体单元，若结点编号数为3和4判为面单元，若结点编号数为6和8判为实体单元；

(4.3)对于面单元利用单元结点编号，进行三角化处理

三角化处理是指，对于面单元，如板壳单元，若面单元为三角形面单元，则直接提取结点编号；若面上存在四边形面单元，要把一个四边形分成两个三角形，此时应注意分成的两个三角形不能交叠，如图5(a)所示，四边形网格的四个结点1、2、3、4，图5(b)将这个四边形分成两个三角形，也可以2、4点连线剖分，而图5(c)这种剖分方式得到图5(d)、图5(e)两个三角形网格，不但相互交叠而且还有面积丢失，是错误的处理方法；

(4.4)对于实体单元，提取外单元表面的面片结点，并重组为新的面单元

参照图6，本步骤的实现如下：

首先，取实体单元信息，对每一个体单元，取它的面信息，如四面体单元有4个面，六面体单元有6个面；

其次，判断每一个面是否只存在于一个实体单元上，如果是，则表明该面是单元的外表面，保存该面单元，如果不是，则表明该面是单元的内表面，直接删除；

然后，判断下一个实体单元，得到一个实体结构的外表面单元信息；

(4.5)对重组的面单元进行三角化处理

将实体单元的外表面单元提取出以后，同样需对其进行三角化处理，处理方式与步骤(4.2)相同；

(4.6)对三角化后的面单元和实体单元的三角形面片进行重组，并提取重组后三角形面片的结点位移，将步骤(4.3)和(4.5)中三角化后的单元重新排序，每一个三角化面片即为一个单元，由单元编号和三个结点编号表示，同时提取单元对应的结点号，通过对比判断删除多余的结点，将剩下的结点重新排序获取新的结点号，更新单元对应的结点号，最后提取结点的坐标和位移信息；

(4.7)按照FEKO软件要求的网格文件的数据格式，将重组后的三角形面片和结点位移输出为新的网格文件；

FEKO软件要求的网格文件格式为：

第1排：单元数目n结点数目m 0 0

第2排：单元编号1结点号1-1结点号1-2结点号1-30

第n排：单元编号n结点号n-1结点号n-2结点号n-30

第n+1排：结点号11号结点的x坐标y座标z坐标

第n+m排：结点号mm号结点的x坐标y座标z坐标

按照上述格式要求将单元和结点信息写成文本文件的格式。

步骤5，将网格模型文件导入电磁分析软件FEKO，进行机箱箱体金属材料的电参数设置，包括相对介电常数ε_r，相对磁导率μ_r，电磁损耗角α，电导率σ，这些参数可以在材料手册上查到。

步骤6，确定导电橡胶的4个电参数：电导率、相对介电常数、相对磁导率和电磁损耗角，并在FEKO软件中设置。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

(6.1)根据导电橡胶的型号和机箱结构尺寸，得到导电橡胶的长度l、宽度a、工作时高度h′，工作时导电橡胶与机箱的接触面积S＝l·a，导电橡胶工作时的压缩率η＝h/h′，h为导电橡胶无压缩的厚度；

(6.2)针对选定的导电橡胶，根据电磁屏效的仿真频率要求，使用“夹持法”测试其不同频点在固定的工作压缩率时的转移阻抗Z_T，转移阻抗随频率的增加而不断变化，总体趋势是随频率增加而增大，同时不同压缩率下转移阻抗也不同，具体测试方法参见东南大学出版社的《电子设备结构设计原理》一书；

(6.3)根据测试的转移阻抗，计算得到导电橡胶在某一频点和压缩率下的电导率σ，在不考虑宽度泄漏的情况下，导电橡胶转移阻抗可用其宽度方向的体电阻Z来表示：

$Z=\mathrm{\&rho;}\frac{h^{\&prime;}}{s},$ $\mathrm{\&rho;}=\frac{1}{\mathrm{\&sigma;}}---<3>$

设Z＝Z_T，故电导率计算公式为：

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{h^{\&prime;}}{Z_{T}s}=\frac{h}{Z_T\mathrm{s\&alpha;}}---<4>$

(6.4)根据导电橡胶的型号，确定其它电磁参数，参数包括导电橡胶的相对介电常数ε_r，相对磁导率μ_r，电磁损耗角α，因为在常用的工程应用材料范围内，ε_r∈[1，10]，α∈[0，0.026]，μ_r∈[1，1000]，这些参数对机箱屏效的影响非常小，几乎可以忽略，故可以取定值ε_r＝1，α＝0，μ_r＝1；

(6.5)利用步骤(6.3)和(6.4)得到的电导率σ、相对介电常数ε_r、相对磁导率μ_r、电磁损耗角α，以及生产厂家提供的导电橡胶的密度ρ对FEKO软件中的导电橡胶进行电参数设置。

步骤7，机箱的热分析

将机箱的CAD模型导入热分析软件IcePak，设置相关参数进行热分析，输出机箱的温度分布数据；根据步骤1建立的机箱CAD模型，在热分析软件IcePak中，设置机箱各部分的具体材料的比热和导热系数，包括主要散热部件的材料；选定各个散热器件，主要是风扇的功率流量；对机箱内的热源设置发热功率，最后选定分析时的环境温度。使用商用软件IcePak完成机箱的热分析，得到机箱内部的温度分布情况，并输出机箱内部各个器件的温度数据T。

步骤8，根据热分析结果，确定电磁分析所需的激励源幅度

电子设备中电磁器件的辐射功率受到环境温度的影响，在正常温度范围内的辐射功率基本不便，但是当温度过高或者过低时，辐射功率会急剧变化，电磁器件生产厂家一般会通过实际测试，得到器件温度和辐射功率的关系曲线图，根据热分析的结果，在曲线图上查处对应的器件辐射功率，以此作为电磁分析时激励源的信息，如果厂家没有提供曲线图，就需要自己做相关的测试工作，并绘制器件辐射电场随温度变化曲线，得到无机箱时的器件辐射电场值

同时根据各个器件的温度数据T，确定电磁分析所需的激励源的幅度。

步骤9，机箱的电磁分析

在电磁分析软件FEKO中设置激励源的幅度信息和求解频率，激励源的数目与机箱内部器件的数目一致，均为M个，根据频率在导入的网格模型基础上重新划分计算网格，一般要求波长的五到八分之一，设置求解区域，一般是机箱最大泄漏表面一米以外的一点，当然也可以选择多个表面一米以外的点，考虑计算精度要求一般使用矩量法，完成电磁分析计算，得到机箱外观测点的电场值

将分析结果记录在数据文件中，此时得到的电场值综合考虑了导电橡胶、结构孔缝、变形和温度的影响。

步骤10，计算得到机箱的电磁屏效

叠加步骤8得到的无机箱时各个器件辐射的电场值

即可计算得到总电场值

再将该总电场值和步骤9得到的有机箱时的机箱外观测点的电场值，带入机箱电磁屏效的多场耦合理论模型，即式2中，即可计算出综合考虑了导电橡胶、结构孔缝、变形和温度的影响的机箱电磁屏效。

本发明的优点可通过以下实例进一步说明：

1.仿真对象：

选取一个简单的机箱进行电磁屏效仿真，如图7所示，其中图7a是机箱三维结构图，图7b是机箱的导电橡胶结构示意图。机箱沿x，y，z方向尺寸为138×157×30mm，机箱壁厚为3mm，材料设为理想良导体，即Feko软件的默认材料。机箱分为上下两个腔体，上盖板和上部腔体中间填充导电橡胶，即图8中标记的“介质填充”所指的部分，本实例采用两种导电橡胶的工作高度用以仿真，分别为2mm和3mm。仿真频段为100MHz～1GHz，在此区间均匀取10个频率点。导电橡胶工作厚度为2mm时的归一化转移阻抗值参见图9。

2.仿真条件：

导电橡胶材料参数：在工作厚度2mm时，计算得出的转移阻抗所对应的电导率σ随频率变化曲线如图10所示，相对介电常数ε_r＝1，电磁损耗角α＝0，相对磁导率μ_r＝1。工作厚度3mm的电导率可同样得出，其值参见表2，其它参数不变。

激励源：平面波，幅值1V/m，-x方向照射，设工作温度为室温，即25℃。

网格划分：三角网格最大边长7.50mm。

求解域：机箱内部中心点。

3.仿真内容及结果：

1.仿真导电橡胶工作厚度为2mm时，该机箱的电磁屏效，仿真结果包括电磁屏效和对应的电导率、转移阻抗的具体值如表1所示。

2.同样仿真导电橡胶工作厚度为3mm时，该机箱的电磁屏效，仿真结果包括电磁屏效和对应的电导率、转移阻抗的具体值如表2所示。

表1工作厚度2mm导电橡胶屏效仿真结果

表2工作厚度3mm导电橡胶仿真结果

从表1的数据对比分析，可以看出在导电橡胶工作厚度为2mm时，平面波在机箱外部从外部入射仿真得出的机箱屏效值范围在82-28db之间，在一般全封闭电子设备应满足国军标范围内。对比表1、表2的数据，可以得到平面波从外部入射时，导电橡胶压缩率改变导致转移阻抗变化从而改变了其电导率，使得对应屏效值变化值，从图11可以看出，压缩大的导电橡胶转移阻抗小，电导率高，导电性就越好，从而使得机箱模型屏效越高。

从屏效数据的总趋势可以看出随着频率增加，导电橡胶导电性下降，从而使得机箱屏效呈下降趋势，这也是同实际测试情况相符的，表明本发明的方法可以有效仿真带有导电橡胶的机箱屏效。

Claims (2)

1.一种带导电橡胶的电子设备机箱电磁屏效多场耦合仿真方法，包括如下步骤：

(1)建立电子设备机箱电磁屏效的多场耦合理论模型：

其中，M表示内部器件个数， 

为无机箱时第i个器件辐射的电场值，E_i(e_i)为有机箱时第i个器件辐射的电场值，T为器件发热的温度，Z_T为导电橡胶的转移阻抗，它是频率freq的函数，δ(β)为结构位移，β为表示孔、缝的结构参数；

(2)根据电子设备机箱的实际结构尺寸，利用商用建模软件建立的机箱的三维实体模型；

(3)将三维实体模型导入结构力学分析软件Ansys Workbench 11.0，设置材料属性，划分结构网格，加载外部载荷，进行结构分析计算，得出机箱结构位移δ(β)；

(4)提取机箱结构位移δ(β)，根据结构网格，进行结构位移场和电磁场之间的网格转化，得到用于电磁分析的网格；

(5)将电磁网格导入电磁分析软件FEKO，设置材料属性；

(6)确定导电橡胶的4个电参数：电导率、相对介电常数、相对磁导率和电磁损耗角，并在FEKO软件中设置，其中电导率由实测的转移阻抗Z_T计算，按以下步骤进行；

(6a)根据导电橡胶的型号和机箱结构尺寸，得到导电橡胶的长度l、宽度a、工作时高度h′，工作时导电橡胶与机箱的接触面积S＝l·a，导电橡胶工作时的压缩率η＝h/h′，h为导电橡胶无压缩的厚度；

(6b)针对选定的导电橡胶，根据电磁屏效的仿真频率要求，使用“夹持法”测试其不同频率的转移阻抗Z_T；

(6c)根据测试的转移阻抗Z_T计算导电橡胶的电导率σ，计算公式为：

(6d)确定导电橡胶的相对介电常数ε_r＝1，相对磁导率μ_r＝1和电磁损耗角 α＝0；

(6e)利用步骤(6c)和(6d)得到的电导率σ、相对介电常数ε_r、相对磁导率μ_r、电磁损耗角α，以及生产厂家提供的导电橡胶的密度ρ对FEKO软件中的导电橡胶进行电参数设置；

(7)将机箱的三维实体模型导入热分析软件IcePak，设置材料属性、加载热源、划分网格，计算机箱内部的温度分布，并输出机箱内部各个器件的温度数据T；

(8)测试并绘制器件辐射电场随温度变化曲线，得到无机箱时的各个器件辐射场值 

同时根据各个器件的温度数据T，确定电磁分析所需的激励源的幅度；

(9)在电磁分析软件FEKO中，设置激励源幅度、导电橡胶的电导率、划分计算网格、设置求解区域、使用矩量法MOM，计算机箱外观测点的场强；

(10)根据机箱外观测点的场强，利用机箱电磁屏效的多场耦合理论模型，计算机箱的电磁屏效。

2.根据权利要求1的电子设备机箱电磁屏效仿真方法，其中步骤(4)所述的进行结构位移场和电磁场之间的网格转化，包括如下步骤：

(4a)从机箱的结构位移中提取每一个单元的位移信息，包括单元结点编号和结点位移；

(4b)对所提取单元进行判断，若结点编号数为3和4判为面单元，若结点编号数为6和8判为实体单元；

(4c)对于面单元利用单元节点编号，进行三角化处理；

(4d)对于实体单元，提取外单元表面的面片结点，并重组为新的面单元；

(4e)对重组的面单元进行三角化处理；

(4f)对三角化后的面单元和实体单元的三角形面片进行重组，并提取重组后三角形面片的结点位移；

(4g)按照FEKO软件要求的网格文件的数据格式，将重组后的三角形面片和结点位移输出为新的网格文件。 

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