CN105184108A - 一种hirf条件下复合材料舱室内场强计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，该方法包含如下步骤：S1，计算复合材料在HIRF效应分析频段内的等效电磁参数；S2，建立复合材料舱室的三维几何模型，其模型材料的电磁特性由步骤S1中得到的等效电磁参数进行描述；S3，设置外部HIRF照射条件，对舱室模型进行仿真计算；S4，在舱室内建立近场观察点获取内部的场强值。本发明解决由于复合材料的非均匀特点带来的数值计算内存消耗大、计算慢甚至无法求解的问题，为HIRF条件下复合材料舱室的电磁危害评估与防护设计提供有效手段。

Description

一种HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法

技术领域

本发明涉及属于电磁环境效应技术领域，特别涉及一种HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法。

背景技术

复合材料因其高强度、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能而被广泛应用于现代航空和航天等工业领域，商用客机如波音B787和空客A380中复合材料比重大量增加，无人机、卫星等航空航天器中对重量的苛刻要求，也大量采用复合材料。然而，不同于传统的金属材料，复合材料的导电性能和电磁屏蔽特性远远低于金属材料，复杂电磁环境中的高强辐射场(HIRF)信号很容易耦合进入复合材料结构体内，导致电磁干扰问题。因此，复合材料舱室内部的场强分析研究已成为近年来科研人员关注的热点。

复合材料舱室内部的场强可以通过实验手段获得，如现有国家发明专利《一种低电平扫描场的高强辐射场测试系统及其测试方法》(专利申请号：201310218837.9)，《一种HIRF测量中地面多路径反射干扰误差的消除方法》(专利申请号：201410706144.9)等，通过建立低电平耦合等效方法测试舱室内部场强。但是，实验方法往往成本高且周期较长，要求在复合材料舱室已经成型情况下完成。一般地，设计师希望在舱室制造之前对潜在的电磁干扰危害进行预测，用于指导HIRF防护设计，这也是现代产品设计的要求。

理论上，采用数值计算方法如矩量法、时域有限差分法等，能够准确分析出任意三维几何电磁模型的内部场强。但是，复合材料表现出非均匀各向异性的特点，且具有复杂的微观几何构型，在数值计算过程中需要考虑内部精细结构的网格剖分，往往产生巨大的未知数，求解过程漫长甚至无法求解。因此，需要提出一种HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，通过获取复合材料的等效电磁参数，解决复合材料舱室的数值计算难题，为HIRF条件下复合材料舱室的电磁危害评估与防护设计提供有效手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，解决由于复合材料的非均匀特点带来的数值计算内存消耗大、计算慢甚至无法求解的问题，为HIRF条件下复合材料舱室的电磁危害评估与防护设计提供有效手段。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，其特点是，该方法包含如下步骤：

S1，计算复合材料在HIRF效应分析频段内的等效电磁参数；

S2，建立复合材料舱室的三维几何模型，其模型材料的电磁特性由步骤S1中得到的等效电磁参数进行描述；

S3，设置外部HIRF照射条件，对舱室模型进行仿真计算；

S4，在所述的舱室内建立近场观察点获取内部的场强值。

所述步骤S1中所述的HIRF效应分析频段是400MHz～18GHz。

所述步骤S1中所述的等效电磁参数是张量形式的复介电常数[ε_eff]和复磁导率[μ_eff]，分别表示为：

$\[{\mathrm{\ϵ}}_{eff}\]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_{xeff}& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\ϵ}}_{yeff}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ϵ}}_{zeff}\end{array}\right],$

$\[{\mathrm{\μ}}_{eff}\]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\μ}}_{xeff}& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\μ}}_{yeff}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\μ}}_{zeff}\end{array}\right],$

式中，ε_xeff、ε_yeff、ε_zeff分别为在直角坐标系中x、y和z方向的复介电常数，μ_xeff、μ_yeff、μ_zeff分别为在直角坐标系中x、y和z方向的复磁导率。

所述步骤S2中所述的复合材料舱室的三维几何模型是由舱室物理尺寸建立的三维几何模型，且其模型材料的电磁特性用等效电磁参数来描述。

所述步骤S3中设置外部HIRF照射条件是指，对照射到复合材料舱室中的且标准规定的满足远场条件的外部电磁波的照射方向、极化方向和强度进行设置。

所述步骤S4中所述的近场观察点是在复合材料舱室内的获取电场场强和相位的数据点。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)采用等效电磁参数描述复合材料的电磁特性，在HIRF效应的仿真计算过程中，避免了对复合材料的微观结构进行网格剖分求解，从而避免了巨大未知数的产生，解决了复合材料数值计算求解慢甚至无法求解问题。

(2)等效的电磁参数通用且易更改，用于HIRF防护设计时，调整舱室模型的等效电磁参数即可达到设计要求，不需要多次更改复合材料内部本构材料的分布以达到设计目的。

(3)可以在复合材料舱室内灵活设置近场的场强值观察点，方面与后期的HIRF效应测试验证进行对比。

附图说明

图1为本发明一种HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法的流程图；

图2为本发明实施例中碳纤维复合材料的截面示意图；

图3为本发明实施例中复合材料舱室模型及照射条件示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

S1，计算复合材料在HIRF效应分析频段内的等效电磁参数。

上述的HIRF效应分析频段是指行业标准规定的400MHz～18GHz。

所述的等效电磁参数是张量形式的复介电常数[ε_eff]和复磁导率[μ_eff]，分别表示为：

$\[{\mathrm{\ϵ}}_{eff}\]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_{xeff}& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\ϵ}}_{yeff}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ϵ}}_{zeff}\end{array}\right],---\left(1\right)$

$\[{\mathrm{\μ}}_{eff}\]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\μ}}_{xeff}& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\μ}}_{yeff}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\μ}}_{zeff}\end{array}\right],---\left(2\right)$

式中，ε_xeff、ε_yeff、ε_zeff分别为在直角坐标系中x、y和z方向的复介电常数，μ_xeff、μ_yeff、μ_zeff分别为在直角坐标系中x、y和z方向的复磁导率。以x方向的复介电常数为例，ε_xeff可以表示为：

${\mathrm{\ϵ}}_{xeff}={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{rxeff}-j\frac{{\mathrm{\σ}}_{xeff}}{\mathrm{\ω}},---\left(3\right)$

式中，ε₀为空气介电常数，取值为8.854×10^-12F/m，ε_rxeff为等效的相对介电常数，σ_xeff为等效的电导率，ω为角频率。

当复合材料表现为各向同性时，有：

ε_xeff＝ε_yeff＝ε_zeff，(4)

各个方向的复介电常数通过采用均匀化技术求解获得，如采用Maxwell-Garnett方程、Bruggmen公式、基于掺杂物问题的动态均匀化公式等。

S2，建立复合材料舱室的三维几何模型，其模型材料的电磁特性由步骤S1中得到的等效电磁参数进行描述；

所述的复合材料舱室的三维几何模型是由舱室物理尺寸建立的三维几何模型，模型材料的电磁特性用等效电磁参数来描述。

S3，设置外部HIRF照射条件，对舱室模型进行仿真计算；

所述的外部HIRF照射条件是指，标准规定的满足远场条件的外部电磁波。本发明中，外部电磁波相对复合材料舱室以45度为间隔进行180度的照射，极化方向可以选择水平极化和垂直极化。

S4，在所述的舱室内建立近场观察点获取内部的场强值。

所述的近场观察点是在复合材料舱室内的获取电场场强和相位的数据点，可以用于检测电场在x、y、z方向上的场强值和相位。

下面以一个实施例说明本发明方法在碳纤维复合材料舱室内部场强计算中的应用，按照如下方法进行HIRF条件下的复合材料舱室内部场强计算：

步骤S1：计算复合材料在HIRF效应分析频段内的等效电磁参数。某舱室采用的碳纤维复合材料，其截面结构和坐标如图2所示，碳纤维置于介质基体内并沿z方向排列，纤维在xy截面上呈正方形分布。复合材料厚度l＝2mm，碳纤维的直径d＝0.07mm，碳纤维间距s＝0.2mm，基体材料(环氧树脂)的复介电常数ε₁＝5ε₀，磁导率μ₁＝μ₀，碳纤维的复介电常数ε₂＝ε₀-j1000/ω，两组分材料都是均匀且各向同性，考虑介电材料情况，磁导率μ₁＝μ₂＝μ₀(μ₀为真空磁导率)。

由于碳纤维在xy截面呈正方形分布，x方向和y方向的等效复介电常数相等，利用均匀化技术，采用如下基于掺杂物问题的经验公式分别计算复合材料的等效电磁参数：

${\mathrm{\ϵ}}_{xeff}={\mathrm{\ϵ}}_{yeff}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1\frac{f_1}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2{\left(\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2+{\mathrm{\ϵ}}_1}+{\mathrm{\ϵ}}_2\frac{f_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2{\left(\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2+{\mathrm{\ϵ}}_2}}{\frac{f_1}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2{\left(\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2+{\mathrm{\ϵ}}_1}+\frac{f_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2{\left(\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2+{\mathrm{\ϵ}}_2}},---\left(5\right)$

ε_zeff＝f₁ε₁+f₂ε₂，(6)

式中：f₁和f₂分别为基体材料和碳纤维材料的体积百分比，γ为碳纤维特征长度，取值为碳纤维直径d。

本实施例中，考虑2GHz频率下的复合材料舱室内部场强计算，根据公式(5)和(6)可以求得x、y方向上的复介电常数ε_xeff＝ε_yeff＝ε₀(4.6-j864.7)，z方向上的复介电常数ε_zeff＝ε₀(6.1-j0.00257)。

步骤S2：建立复合材料舱室的三维几何模型，其模型材料的电磁特性由步骤一中得到的等效电磁参数进行描述。

复合材料舱室的三维几何模型及坐标如图3所示，舱室为半封闭的圆柱形结构，壁厚2mm，底面圆环外径为0.546m，内半径为0.47m，侧面长度为0.322m。

步骤S3：设置外部HIRF照射条件，对舱室模型进行仿真计算。

设置外部照射的平面波方向如图3中方向B、方向C、方向D所示，分别对应发射的电磁波以0度、45度、90度方向照射复合材料舱室，平面波的场强为1V/m，采用垂直极化方式。本实施例中，由于舱室结构是沿Z轴对称分布的结构，选择0度、45度、90度照射条件进行仿真即可实现180度全方位测试，利用矩量法分别对0度、45度、90度HIRF照射下的舱室进行求解。

步骤四：在舱室内建立近场观察点获取内部的场强值。

选取复合材料舱室内部的点E坐标作为场强值观察点，其坐标：x＝-0.12m，y＝-0.05m，z＝0.065m。记录观察点的场强值，仿真后得到0度、45度、90度照射下复合材料舱室内点E的场强值分别为0.51V/m、0.515V/m、0.686V/m。

综上所述，本发明一种HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，解决由于复合材料的非均匀特点带来的数值计算内存消耗大、计算慢甚至无法求解的问题，为HIRF条件下复合材料舱室的电磁危害评估与防护设计提供有效手段。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

S1，计算复合材料在HIRF效应分析频段内的等效电磁参数；

S2，建立复合材料舱室的三维几何模型，其模型材料的电磁特性由步骤S1中得到的等效电磁参数进行描述；

S3，设置外部HIRF照射条件，对舱室模型进行仿真计算；

S4，在所述的舱室内建立近场观察点获取内部的场强值。

2.如权利要求1所述的HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，其特征在于，所述步骤S1中所述的HIRF效应分析频段是400MHz～18GHz。

3.如权利要求1所述的HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，其特征在于，所述步骤S1中所述的等效电磁参数是张量形式的复介电常数[ε_eff]和复磁导率[μ_eff]，分别表示为：

$\[{\mathrm{\ϵ}}_{eff}\]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_{xeff}& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\ϵ}}_{yeff}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ϵ}}_{zeff}\end{array}\right],$

$\[{\mathrm{\μ}}_{eff}\]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\μ}}_{xeff}& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\μ}}_{yeff}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\μ}}_{zeff}\end{array}\right],$

式中，ε_xeff、ε_yeff、ε_zeff分别为在直角坐标系中x、y和z方向的复介电常数，μ_xeff、μ_yeff、μ_zeff分别为在直角坐标系中x、y和z方向的复磁导率。

4.如权利要求1所述的HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，其特征在于，所述步骤S2中所述的复合材料舱室的三维几何模型是由舱室物理尺寸建立的三维几何模型，且其模型材料的电磁特性用等效电磁参数来描述。

5.如权利要求1所述的HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，其特征在于，所述步骤S3中设置外部HIRF照射条件是指，对照射到复合材料舱室中的且标准规定的满足远场条件的外部电磁波的照射方向、极化方向和强度进行设置。

6.如权利要求1所述的HIRF条件下复合材料舱室内场强计算方法，其特征在于，所述步骤S4中所述的近场观察点是在复合材料舱室内的获取电场场强和相位的数据点。