CN112149223B - 一种车辆电磁环境仿真方法 - Google Patents

一种车辆电磁环境仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及车辆电磁兼容仿真技术领域，具体地指一种车辆电磁环境仿真方法。在CST电磁仿真软件中新建微波工作室项目，并设置用于对车辆进行电磁环境仿真的基本参数；在CST电磁仿真软件中建立车辆电磁仿真模型；在CST电磁仿真软件中设置激励源；在车辆关键位置布置场强监测点；设置求解器仿真参数和网格，开始进行仿真；仿真完成后对仿真精度进行验证，若验证结果符合要求，查看不同位置处的计算结果并进行车辆内部三维空间场强数据的处理及分析；若验证结果不符合要求，重新设置进行再次仿真。本发明的仿真结果更全面，可以节约开发成本，缩短开发周期。

Description

一种车辆电磁环境仿真方法
技术领域
本发明涉及车辆电磁兼容仿真技术领域，具体地指一种车辆电磁环境仿真方法。
背景技术
车辆电子产品正朝着日益增多的趋势发展，电子技术在解决军用车辆的经济性、安全性等方面起着非常重要的作用。近年来，微电子技术的飞速发展，促使电子技术和传统机械相结合，使车辆的机动性和安全性等方面的需求均得到很好的满足。随着越来越多的高科技汽车电子产品的开发与应用，车辆电磁兼容问题成为了一个不容忽视的重要问题。所谓车辆电磁兼容技术，是指车辆在其电磁环境中能令人满意地工作，又不对该环境中的任何事物造成不应有的电磁干扰。
获取车辆电磁环境的分布规律需要进行大量的电磁兼容试验，但是试验检测法通常存在以下三个问题，首先需要耗费大量的人力物力，成本高；其次试验受限于试验场地、试验设备等多种因素；最后，试验必须基于实物进行。
目前常用的仿真方法是在车辆需要观测的位置处布置场强探针，仿真得到车辆相应位置处的场强值，但不能反映有设备存在和没有设备存在时车辆空间场强分布及变化规律。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术提到的问题，提供一种车辆电磁环境仿真方法。
本发明的技术方案为：一种车辆电磁环境仿真方法，其特征在于：在CST电磁仿真软件中新建微波工作室项目，并设置用于对车辆进行电磁环境仿真的基本参数；在CST电磁仿真软件中建立车辆电磁仿真模型；在CST电磁仿真软件中设置激励源；设置激励源辐照方向；在车辆关键位置布置场强监测点；设置求解器仿真参数和网格，分别对汽车存在电子设备和移除电子设备两种情况进行仿真；仿真完成后对仿真精度进行验证，若验证结果符合要求，查看不同位置处的仿真结果并进行车辆内部三维空间场强数据的处理及分析；若验证结果不符合要求，重新设置进行再次仿真。
进一步的，所述基本参数包括：车辆模型物理尺寸参数、仿真频段参数、仿真频率参数、仿真背景材料参数、边界条件参数、车辆模型材料参数。
进一步的，所述在CST电磁仿真软件中建立车辆电磁仿真模型的方法包括：在CST电磁仿真软件中导入车辆机械模型，并将车辆机械模型中的各零部件简化为与原零部件尺寸相当的立方体、球体、圆锥体、圆环或圆柱体。
进一步的，所述在CST电磁仿真软件中设置激励源的方法包括：依据GJB 151B中RS105、IEC 61000-2-13、IEC 61000-1-5设置激励源波形，依据所使用的辐照源说明书设置激励源参数。
进一步的，所述对激励源的辐照方向进行设置的方法为：激励源选择平面波，辐照方向选择正向或侧向；所述正向辐照时，激励源平面波在车辆正前方，平面波沿车头正向入射，电场极化方向竖直向下；所述侧向辐照时，激励源平面波在驾驶室侧面，平面波沿车身侧向入射，电场极化方向竖直向下。
进一步的，所述在车辆关键位置设置场强监测点的方法包括：在车辆关键位置附近布置场强探针，仿真得到车辆电子设备存在时关键位置处的场强；移除发动机舱、乘员舱内的电子设备，在发动机舱、乘员舱内x、y、z三个方向空间区域内均匀布置电场探针，用于仿真强电器脉冲源正向、侧向辐照时发动机舱、乘员舱内三维空间场强分布规律。
进一步的，所述车辆关键位置包括发电机控制器、发动机ECU、电池管理单元、车辆控制器、轮毂电机控制器。
进一步的，所述设置求解器仿真参数的方法为：选择电磁计算方法、选择激励源类型、设置仿真精度、设置仿真时间。
进一步的，所述设置网格的方法包括：根据资源求、时间和精度要求选择合适的网格。
进一步的，所述仿真完成后对仿真精度进行验证的方法包括：通过检查能量衰减是否下降到设置的仿真精度以下来证明能量衰减与仿真精度是否达到一致。如不一致则需要重新设置并再次仿真，直至仿真结果的精确度与设置的仿真精度一致。
进一步的，所述重新设置进行再次仿真的方法包括：重新设置仿真时间进行再次仿真。
本发明在车辆电子设备存在的情况下，在关键控制器附近布置场强探针从而得到关键控制器位置场强峰峰值；移除车辆电子设备，在车辆发动机舱、乘员舱内均匀布置场强探针，并运用MATLAB对仿真结果进行后处理，最终得到车辆发动机舱、乘员舱三维空间场强分布规律，同时将电子设备是否存在的两种仿真结果进行对比，分析电子设备对车辆电磁环境的影响，具体建模仿真步骤如下：
首先将车辆车体及各控制器壳体数模导入CST的微波工作室中，综合考虑计算精度与计算效率后，将发动机、动力电池组进行了电磁仿真模型的简化。然后，依据各项标准定义的强电磁脉冲波形，分别设定激励信号及仿真参数，在关键位置处布置场强探针，用于仿真关键位置处的场强值，最后在发动机舱、乘员舱内等间距布置场强探针，运用MATLAB对仿真结果进行后处理分析，得到发动机舱、乘员舱三维空间场强分布规律。
本发明的优点在于：在试验条件及场地受限的情况下，仍能通过仿真的方法得到强电磁脉冲辐照下车辆内部的电磁环境分布规律，且具有通用性，解决了试验法成本高，试验条件受限导致的无法获得车辆电磁环境分布规律的问题；与以往常用的仿真方法相比，同时仿真车辆电子设备存在时关键控制器附近的场强和移除车辆电子设备时发动机舱、乘员舱三维空间场强分布规律，使仿真结果更全面；通过仿真方法得到强电磁脉冲辐照下车辆的电磁环境分布规律可以为产品在开发设计阶段提供指导性建议，节约开发成本，缩短开发周期，降低开发风险。
附图说明
图1：车辆电磁环境仿真分析流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例提供一种强电磁脉冲辐照下车辆电磁环境仿真分析方法，以某样车为例，按照以下步骤进行，如图1所示，为本实施例的仿真分析流程图：
步骤一、新建微波工作室项目并设置基本参数
1、单位设置
设置单位时需要考虑车辆模型实际物理尺寸与仿真频段，后期输入值需要与设置单位相对应，否则会造成仿真结果错误，单位参数可在单位对话框(Home→Units)中设置。
2、背景材料设置
背景材料设置对应软件中(Simulation→Background)选择Normal选项，且在整车仿真时需要考虑车辆距离地面的高度，在Lower Z distance框内输入相应数值。
3、边界条件设置
仿真必须在结构边界框的内部进行，因此必须为每个边界面指定边界条件；从菜单栏点击Simulation→Boundaries，打开边界条件对话框；打开边界条件对话框，在结构视图中就可看到可视化的边界条件；整车仿真时，底面边界条件设置为electric(Et＝0)选项，模拟真实大地，其它面边界条件设置为(open add space)选项，模拟自由空间环境。
4、仿真频率设置
仿真频率的设置需要考虑强电磁脉冲的能量集中频段，当高空核电磁脉冲作为激励源时，仿真频率设置为0-100MHz；宽带高功率微波作为激励源时，仿真频率设置为0-1GHz；窄带高功率微波作为激励源时，仿真频率设置为0-2GHz；当软件中全局单位设置为MHz时，打开频率范围对话框(Simulation→Frequency)设置频率范围，在框内输入频段范围。
5、材料设置
整车模型或设备模型导入且简化后，要对模型材料进行设置；根据车辆与设备的实际情况，设置相应材质，金属材质电导率相近，电磁脉冲辐照情况下，可忽略不同金属材质的电损耗；另外改变金属材料对车辆及设备内部电场谐振点影响很小，所以将整车与设备金属部分材料均设置为良导体(PEC)以节约仿真时间，将玻璃与塑料等设置为真空(Vacuum)材料；
设置材料的具体步骤如下：选择要设置材料的壳体结构，点击Change Materialand Color选项，在弹出的对话框中，点击Material，选择相应的材质，CST材料库中内置大量材料参数(导电率、磁导率、介电常数等)，满足一般仿真要求，如导电薄膜需要重点考虑材料的介电常数与导电率，导电喷漆则重点考虑材料的方阻。
步骤二、仿真模型建立
1、模型的导入
导入模型的具体步骤为，打开建模选项中Import 3DFiles选项，根据转换后的部件格式导入相应的模型；CST微波工作室支持STL、STEP、IGES等各种格式，可以根据模型文件格式选择。
2、模型的简化
模型简化应用菜单栏建模选项中的形状选项(立方体、球体、圆锥体、圆环、圆柱体)、形状变换工具和高级形状变换工具；选择所需结构后对应全局单位输入相应实际物理尺寸即可在绘图平面上建立相应的3D结构；以发动机为例，发动机整体用规则圆柱、长方体代替，简化后发动机尺寸为与原始发动机尺寸相当。
步骤三、激励源设置
1、激励源参数设置
以高空核电磁脉冲为例说明激励源参数设置方法，依据GJB151B中RS105设置高空核电磁脉冲作为激励源，标准规定双指数脉冲及其表达式：
E(t)＝kEp(e-αt-e-βt)
其中：E(t)——场强；
k——常数；
Ep——峰值场强；
e——指数；
α——衰减系数1；
β——衰减系数2；
t——时间；
依据所使用的辐照源说明书设置以下参数，Ep＝5×104V/m,α＝4×107S-1，β＝6×108S-1,k＝1.3。
辐照源信号的导入方法为：点击导航树中Excitation→New Excitation Signal，在弹出的对话框中，点击Signal type，选择Import ASCII Table，导入高空核电磁脉冲激励信号波形。
2、激励源方向设置
激励源选择平面波，辐照方向一般选择正向或侧向；正向辐照时，激励源平面波在车辆正前方，波沿车头正向入射，电场极化方向竖直向下；侧向辐照时，激励源平面波在驾驶室右侧，波沿车身侧向入射，电场极化方向竖直向下，也可以根据实际需要设置任意入射方向的平面波；平面波的设置方法为，双击导航树中Plane Wave选项，在弹出的对话框中，设定平面波的传播参数和极化参数。
步骤四、电场探针或场强监测点设置
在关键位置布置场强监测点探针，在车辆发动机舱、乘员舱内密布场强监测点探针；
场强监测点探针的设置方法为，右键点击导航树中Probes选项，选择New Probe，在弹出的对话框中，设置探针类型，并设定x、y、z三维坐标；
例如为了得到辐照下车辆关键位置场强大小，针对发电机控制器、发动机ECU、电池管理单元、车辆控制器、轮毂电机控制器等位置附近布置场强探针；对发动机舱、乘员舱内电子设备布局提供指导与参考，移除发动机舱、乘员舱内的电子设备，在发动机舱、乘员舱x、y、z三个方向尺寸为1350mm*1800mm*980mm的空间区域内，x轴间隔150mm、y轴间隔200mm，z轴间隔140mm均匀布置电场探针800个，用于仿真强电磁脉冲辐照下发动机舱、乘员舱内三维空间场强分布规律；
发动机舱、乘员舱内空间场强分布规律结果可以直观全面的表征车辆整体的电磁效应规律，能够在车辆设计阶段为车辆强电磁脉冲防护设计提供数据支撑。
步骤五、求解器仿真参数
在整车电磁环境仿真中，选择最常用的、用途最多的时域求解器；设置求解器的具体步骤为，点击基本选项Home中Setup Solver选项，在弹出的对话框中，在Mesh type选项中选择传输线矩阵算法(TLM)，在Source type选项中选择平面波激励源(Plane Wave)，在Accuracy选项中设置仿真精度，-80dB为设置最大值，整车电磁环境仿真精度一般设置为-30dB，在Special→Steady State选项中设置仿真时间，一般设置超过10000个激励脉冲时间从而使结果达到仿真精度最大值；如果仿真结束后发现仿真结果没有达到设定精度，则需要重新设置仿真时间后再次进行仿真；在求解器、网格设置完成后，点击基本选项Home中Setup Solver→Start开始进行整车仿真。
步骤六、网格设置
对于整车电磁环境仿真，网格总数一般为千万量级，也可以根据实际需求对网格参数进行必要的调整；根据实际需求对网格参数进行必要的调整，根据资源及时间确定合适的网格设置以达到提高仿真效率并且保证仿真精度的目的；
网格数越多计算精度越高，计算时间越长，对计算机的要求越高，而网格数较少则会带来较大的计算误差，仿真模型中的任意结构中放置两个网格以上为宜；
设置网格的具体步骤为，选择TLM六面体网格，点击基本选项Home中GlobalProperties，进入全局网络对话框，通过改变每波长网格数或模型边长网格数来改变总网格数。
步骤七、仿真及数据后处理
仿真完成后，点击导航树中1D Results→Energy，检查能量衰减是否与设置精度一致(本实施例中当能量衰减下降到-30dB之后，即认为能量衰减与设置精度一致)，一致说明结果的精确度达到了所期望仿真精度，判定仿真结果满足要求，不一致则需要重新设置并仿真；
点击导航树中1D Results→Probes查看关键位置控制器不同探针位置处的计算结果，将乘员舱内的场强计算结果导出后，运用MATLAB绘制出三维场强分布图。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种车辆电磁环境仿真方法，其特征在于：在 CST 电磁仿真软件中新建微波工作室项目，并设置用于对车辆进行电磁环境仿真的基本参数；在 CST 电磁仿真软件中建立电磁仿真模型；在 CST 电磁仿真软件中设置激励源；设置激励源辐照方向；在车辆的关键位置布置场强监测点；设置求解器仿真参数和网格，分别对存在车辆电子设备和移除车辆电子设备两种情况进行仿真；仿真完成后对仿真精度进行验证，若验证结果符合要求，查看不同位置处的计算结果并进行车辆内部三维空间场强数据的处理及分析；若验证结果不符合要求，重新设置进行再次仿真；
所述在 CST 电磁仿真软件中设置激励源的方法包括：依据 GJB 151B 中RS105、IEC61000-2-13、IEC 61000-1-5 设置激励源波形，依据所使用的辐照源说明书设置激励源参数；对激励源的辐照方向进行设置；
所述在车辆关键位置布置场强监测点的方法包括：在车辆关键位置附近布置场强探针，仿真得到车辆电子设备存在时关键位置处的场强；移除发动机舱、乘员舱内的电子设备，在发动机舱、乘员舱内 x、y、z 三个方向空间区域内均匀布置电场探针，用于仿真强电器脉冲源正向、侧向辐照时发动机舱、乘员舱内三维空间场强分布规律；
所述车辆关键位置包括发电机控制器、发动机 ECU、电池管理单元、车辆控制器、轮毂电机控制器。
2.如权利要求 1 所述的一种车辆电磁环境仿真方法，其特征在于：所述基本参数包括：车辆模型物理尺寸参数、仿真频段参数、仿真频率参数、仿真背景材料参数、边界条件参数、车辆模型材料参数。
3.如权利要求 1 所述的一种车辆电磁环境仿真方法，其特征在于：所述在CST 电磁仿真软件中建立电磁仿真模型的方法包括：在 CST 电磁仿真软件中导入车辆机械模型，并将车辆模型中的各零部件简化为与原零部件尺寸相当的立方体、球体、圆锥体、圆环或圆柱体。
4.如权利要求 1 所述的一种车辆电磁环境仿真方法，其特征在于：所述对激励源的辐照方向进行设置的方法为：激励源选择平面波，辐照方向选择正向或侧向；所述正向辐照时，激励源平面波在车辆正前方，平面波沿车头正向入射，电场极化方向竖直向下；所述侧向辐照时，激励源平面波在驾驶室侧面，平面波沿车身侧向入射，电场极化方向竖直向下。
5.如权利要求 1 所述的一种车辆电磁环境仿真方法，其特征在于：所述设置求解器仿真参数的方法为：选择电磁计算方法、选择激励源类型、设置仿真精度、设置仿真时间。
6.如权利要求 1 所述的一种车辆电磁环境仿真方法，其特征在于：所述设置网格的方法包括：根据资源、时间和精度选择合适的网格。
7.如权利要求 1 所述的一种车辆电磁环境仿真方法，其特征在于：所述仿真完成后对仿真精度进行验证的方法包括：通过检查能量衰减是否下降到设置的仿真精度以下来证明能量衰减与仿真精度是否达到一致，如不一致则需要重新设置并再次仿真，直至仿真结果的能量衰减与设置的仿真精度一致。
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