CN110147604A - 基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，包括对复合材料蒙皮、金属结构部件进行等效，在FEKO中利用线模型搭建复合材料飞机接地模网型；设置蒙皮与金属结构部件材料属性；添加相关激励源如电压源、电流源等和相应负载；设置频率区间，对三维模型进行网格划分；添加电流结果，利用FEKO中的低频稳定性和矩量法对模型进行数值计算；查看结果，观察电流在复合材料飞机接地网以及蒙皮上的分布，对比不同连接对电流分布的影响。本发明有益效果是：保证仿真可靠性的同时节约仿真分析时间，提高仿真效率；预测电流在复合材料飞机接地网上的分布以及复合材料蒙皮与金属接地网之间的连接属性对电流分布的影响。
Description
技术领域
本发明涉及三维建模和仿真分析领域，特别涉及一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，通过线模型对复杂的复合材料飞机接地网结构进行等效建模，使用三维全波电磁仿真软件FEKO计算各结构上的电流分布。
背景技术
复合材料由于强度高、重量轻，能有效减轻飞机重量、降低油耗和飞行成本等优点，已经在飞机上得到大量应用，例如波音B787飞机中复合材料用量达到机身重量的50％，空客A350XWB飞机中机体的53％由碳纤维复合材料制造。但复合材料导电性差、热敏性低，所以在复合材料飞机中，存在以下两点问题：电流流过导电性差的结构时会引起过高的电压降，危害设备安全；大电流流过飞机复合材料机身时会引起局部发热，可能会损坏复合材料的结构。并且复合材料机身无法提供信号和故障电流的返回路径、无法为机载电子/电气设备提供基准电位参考点、无法提供雷电和高强度辐射场(HIRF)防护以及人身保护等，这些缺陷都对复合材料机身内的电磁兼容设计提出了新的需求。
因此，为了解决这些问题，各大飞机制造商纷纷在复合材料区域内引入金属接地网结构来代替传统铝合金机身，使飞机在复合材料区域能够满足机载电子/电气设备接地、电磁兼容设计、闪电防护等需求。空客公司率先在A350XWB飞机中引入电气结构网络(Electrical Structure Networks，ESN)来实现传统铝合金机身的功能，这种ESN结构由金属、复合材料蒙皮、金属结构元件，如框架、横梁、导轨以及专用路径、保护管道、轨道、电缆等组成，在复合材料机身内形成一个专门的等电位电气网络等效代替接地平面。波音公司则在787飞机上采用铝、铜和导电能力强的搭接组件交错安装形成一个电气传导网络来克服复合材料的缺陷，波音公司将这种结构称为电流返回网络(Current Return Network,CRN)。
大型航空器结构如机身、框架、轨道、横梁的不同部件上电流分布管理非常重要，数值模拟仿真能够有效预测电流在接地网结构间的电流分布。复合材料飞机接地网在工程实践中已经得到应用，但是对于接地网结构的仿真研究很少，并且国内关于复合材料飞机接地网结构的研究起步较晚，相关研究很少，缺乏大量的实验数据。电磁数值仿真软件目前发展已经非常成熟，使用数值仿真能够节约设计成本，缩短设计时间。复合材料飞机接地网结构复杂，构成元件众多，若使用三维建模软件进行高保真建模难度大、效率低，进行数值仿真时对硬件要求极高、仿真时长也难以预估，不利于接地网结构进行电气分析，对于接地网结构的优化与调整也十分困难。
发明内容
鉴于上述问题，本发明以解决复合材料飞机接地网高保真建模难度大、仿真效率低的问题为目的，提出一种用线模型来等效代替复杂的接地网结构能够在保证仿真精度的同时，提高仿真效率的一种复合材料飞机接地网建模与仿真方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：
本发明在电磁仿真软件中对三维接地网结构进行电流分布仿真，有效预测电流在复合材料蒙皮和接地网结构上的分布。
第一步，建立复合材料飞机接地网结构：
第二步，在FEKO中利用线模型搭建复合材料飞机接地网结构，包括框架、横梁、导轨以及专用路径、保护管道、轨道等金属部件以及复合材料蒙皮；
第三步，设置复合材料蒙皮与金属结构元件的材料属性，对于蒙皮与接地网间的连接可设置多种不同属性的材料；
第四步，添加电压、电流激励源和相应负载；
第五步，设置频率区间，对三维模型进行网格划分；
第六步，添加电流，利用FEKO中的低频稳定性和矩量法对模型进行数值计算；
步骤七，查看结果，分析电流在复合材料飞机接地网以及蒙皮上的分布以及频率和连接材料对电流分布的影响。
优选的，对于步骤一中，所述搭建的复合材料蒙皮属性设置为碳纤维增强塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)。
优选的，对于步骤一中，所述用线模型搭建的接地网结构半径应根据线等效原理进行设置。
可选的，对于步骤一中，所述搭建的复合材料飞机接地网模型，当仿真局部电流分布时，搭建需要仿真的部分结构即可。
可选的，对于步骤二中，所述接地网结构的属性中，对于复合材料蒙皮与金属接地网结构之间的连接设置多种材料，范围包括低导电率材料至高导电率材料。
可选的，对于步骤三中，所述添加电压源和电流源的幅值范围在飞机电源范围内。
优先的，对于步骤四中，所述的频率区间应为飞机电源以及相关谐波的频率区间。
可选的，对于步骤四中，所述的对三维接地网模型进行网格划分，在要保证低频稳定性的情况下，网格划分不应太大。
优选的，对于步骤五中，由于频率区间包含极低频率，应勾选FEKO中的低频稳定性，利用特殊的基函数保证在低频率下数值计算结果正确。
优选的，对于步骤六中，在POSTFEKO中观察电流在复合材料蒙皮和接地网结构上的电流分布，观察频率对电流分布的影响，对比不同连接方式对电流分布的影响情况。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过在保证仿真准确性的情况下，采用线模型等效代替复杂的接地网结构，不仅提高了建模效率，还提高了仿真效率，降低了对电大物体进行数值仿真的硬件要求。
(2)本发明通过采用FEKO软件对大型复合材料飞机接地网模型进行电流分布仿真，FEKO中具有低频稳定性，能够保证低频下数计算结果的正确性。
(3)大型航空器结构如机身、框架、轨道、横梁的不同部件上电流分布管理非常重要，若电流集中到接地网或蒙皮上的某一点处都可能对结构造成损伤，影响飞机的飞行安全。本发明能够有效预测电流在接地网结构间的电流分布，根据电流分布可以对接地网结构进行优化和调整，提高研发效率，减小研发成本。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施方式，下面将对本发明中的重点内容进行附图并做简单说明，附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。
图1是本发明提供的复合材料飞机接地网仿真流程图；
图2是本发明提供的用线模型对复合材料飞机接地网进行建模的等效原理图；
图3是本发明提供的复合材料飞机接地网建模细节图。
具体实施方式
下面结合附图更详细地描述本发明的示例性实施方式，可以理解的是，此处所描述的本发明示例性实施方式仅仅用于解释相关发明，而非对本发明的限定。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种复合材料飞机接地网建模和仿真方法，具体步骤如下：
第一步，建立复合材料飞机接地网结构：
第二步，在FEKO中利用线模型搭建复合材料飞机接地网结构，包括框架、横梁、导轨以及专用路径、保护管道、轨道等金属部件以及复合材料蒙皮；
第三步，设置复合材料蒙皮与金属结构元件的材料属性，对于蒙皮与接地网间的连接可设置多种不同属性的材料；
第四步，添加相关激励源如电压源、电流源等和相应负载；
第五步，设置频率区间，对三维模型进行网格划分，网格划分尺寸应能确保模型在低频稳定性下能进行数值仿真；
第六步，添加电流结果，利用FEKO中的低频稳定性和矩量法对模型进行数值计算；
步骤七，查看结果，根据步骤三设置仿真频率为相关谐波频率区间，对三维模型进行网格尺寸划分电流在复合材料飞机接地网以及蒙皮上的分布以及连接材料对接地网上电流分配的影响。
如图2所示，对于宽为L的长方体金属结构使用直径为Φ＝L/2的线导体进行等效代替。
如图3所示，复合材料飞机接地网结构包括框架、横梁、轨道、连接、复合材料蒙皮等，使用线模型对框架、横梁、轨道、连接等金属结构元件进行等效，搭建复合材料飞机接地网模型。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立复合材料飞机接地网结构：包括复合材料蒙皮、金属接地网结构和供电线缆，所述金属接地网结构为若干个横梁和轨道横纵交叉形成的金属框架，所述金属框架附着在复合材料蒙皮上；所述金属框架与复合材料蒙皮之间通过线导体连接为一个连接点；所述金属接地网结构与供电线缆连接。
步骤二，在电脑软件中搭建线模复合材料飞机接地网结构的三维线模型：采用线模型对步骤一所述复合材料飞机接地网结构进行内传导金属接地网等效；并且使用线模型对供电线缆进行等效；
步骤三，定义材料属性：根据步骤二进行等效的步骤一所述线模复合材料蒙皮、金属接地网结构和连接材料部件赋予材料属性；
步骤四，添加激励源和负载：根据步骤二进行等效的步骤一所述供电线缆上添加端口，设置电压源激励，在电压源端口上添加负载，用电压源端口流过电流模拟故障电流；
步骤五，设置谐波频率区间和对三维模型进行网格划分：根据步骤四设置仿真频率为飞机电源相关谐波频率区间，对三维模型进行网格尺寸划分；
步骤六，计算添加电流后的三维线模型数值：根据步骤五在软件中运行数值计算；
步骤七，分析频率和复合材料蒙皮与金属接地网结构间连接材料对于电流分布的影响：根据步骤六数值计算结果在数值仿真软件的后处理模块中查看电流分布结果。
2.如权利要求1所述一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，其特征在于，步骤二所述电脑软件为仿真软件FEKO。
3.如权利要求1所述一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，其特征在于，步骤一中所述金属接地网结构为长方体金属结构部件，步骤二中三维线模型中用直径为Φ＝L/2的线导体等效替代宽为L的长方体金属结构部件。
4.如权利要求1所述一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，其特征在于，所述复合材料蒙皮属性设置为碳纤维增强塑料Carbon Fiber ReinforcedPlastics即CFRP。
5.如权利要求1所述一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，其特征在于，根据步骤四所述添加电压源和电流的幅值范围在飞机电源范围内。
6.如权利要求1所述一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，其特征在于，根据步骤二所述用线模型搭建的接地网结构半径应根据线等效原理进行设置，当仿真局部电流分布时，搭建需要仿真的部分结构。
7.如权利要求1所述一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，其特征在于，步骤三所述材料属性包括多种材料，范围由低电导率材料至高电导率材料。
8.如权利要求1所述一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，其特征在于，步骤六所述飞机谐波频率为低频，所述计算三维线模型数值的方法为在软件中的低频稳定性和矩量法。
9.如权利要求1所述一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，其特征在于，步骤七所述分析频率和复合材料蒙皮与金属接地网结构间连接材料对于电流分布的影响是在仿真软件的后处理模块中查看不同连接材料时，接地网金属结构上的电流与连接上的电流大小，分析不同连接材料对电流分布的影响。
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| Tristant et al. | Fuel Tank Safety-3D Computations for Attachment and Conduction Assessment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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