CN117216885B - 基于comsol的航空直流接地电弧损伤模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空电气工程技术领域，公开了基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法及系统。该方法以飞机管道结构常用金属材料为对象，基于热等离子体电弧的磁流体动力学理论，建立28V直流航空接地电弧的电磁热多物理场耦合模型，获取不同起弧点对电弧特性的影响，并计算航空直流电弧作用下结构体的损伤体积参数，以及与试验结果进行对比。本发明能够实现对飞机28V直流配电系统接地电弧故障进行建模，该模型具有较高的精度，可用于分析航空接地电弧过程中电气特性，评估电弧对管道结构的损伤程度，并降低验证的试验成本减少线缆电弧电气火灾的风险，为飞机EWIS设计提供一定的理论支撑。
Description
技术领域
本发明属于航空电气工程技术领域，尤其涉及基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法及系统。
背景技术
线缆电弧是导致飞机EWIS系统发生火灾的主要原因之一，电器导线互联系统（Electrical Wiring Interconnection System，简称EWIS），通常伴随着高温与强闪光现象，当电弧接触到电缆的绝缘层或护套时，能量释放导致表面温度升高，极易引发线缆起火。同时，飞机上防滑垫、安全带、地毯等易燃物和油箱等易爆品，增加了飞机火灾的风险。航空线缆通常布置在狭小的空间内，且航空环境的特殊性导致飞机线缆暴露在高温、高湿、高海拔等极端工作环境中，受力学应力和振动等多因素影响，线缆维护和检修工作变得困难，飞机火灾具有危害大的特点。如何保证多电及全电飞机安全可靠运行是当前航空领域亟待解决的问题之一。
现有技术多条适航中都明确说明要考虑飞机线缆故障电弧事故的影响，但现有技术未进一步开展线缆电弧与材料相变与损伤的多场分析研究，探讨航空电弧过程中电、磁、热等对损伤的影响。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术对飞机直流配电系统接地电弧故障检测精度低，评估电弧对管道结构的损伤程度差，不能有效准确获取接地电弧电气火灾的风险数据。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法及系统。
所述技术方案如下：基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法，以飞机管道结构的金属材料为对象，基于热等离子体电弧的磁流体动力学理论，建立28V直流航空接地电弧的电磁热多物理场耦合模型，获取不同起弧点对电弧特性的影响，计算航空直流电弧作用下结构体的损伤体积参数，并与试验结果进行对比；具体包括以下步骤：
S1、确认起弧点的具体参数，包括：电弧长度、线缆直径、铝板厚度、起弧点与电源的距离；
S2、根据确认的起弧点的具体参数，使用COSMOL软件构建几何模型并进行网格划分，检查网格质量；
S3、设置几何模型参数，设置求解器为瞬态求解器，计算电流、电路、磁场、层流和流体传热物理场接口的参数，设置几何模型物性参数和边界条件；
S4、求解电弧持续时间，通过线路中断路保护器的特性曲线，计算断路保护器的动作时间，将动作时间作为电弧持续时间；
S5、设置仿真模型和求解算法，设置容差因子和最大牛顿迭代次数，对仿真模型进行初始化，设置时间步长与计算步数，开始计算，若不收敛则调整参数，重新计算直至仿真模型收敛；
S6、通过对结果处理，得到电弧的电气特性，包括：温度场、电场、磁场、流场和压力场的分布；
S7、通过表面积分，计算线缆和结构体的相变体积，检查对应时间电弧对结构体的损伤体积。
在步骤S2中，所述网格质量大于0.7。
在步骤S3中，所述流体传热物理场接口的参数包括：磁矢量、散度条件变量、压力、温度、速度场、电势、终端电压和电流；所述几何模型物性参数包括：重力加速度、材料物性参数。
在步骤S4中，电弧持续时间的表达式如公式（1）所示：
（1）
式中，为断路器动作时间，为故障电流与断路器额定电流比值的百分比，，，，。
在步骤S5中，所述仿真模型包括：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和麦克斯韦方程组；
质量守恒方程的表达式如公式（2）所示：
（2）
式中，为对公式进行求导，为等离子体密度，为断路器动作时间，为模型的
径向，为等离子体的径向速度，为模型的轴向，为等离子体的轴向速度。
进一步，径向和轴向的动量守恒方程的表达式分别如公式（3）和公式（4）所示：
（3）
（4）
式中，为弧柱区压力，为弧柱区径向电磁力，为等离子体的粘度，为弧柱区
轴向电磁力，为重力加速度。
进一步，能量守恒方程的表达式如公式（5）所示：
（5）
式中，为等离子体焓值，为等离子体导热系数，为等离子体恒压热容，为弧
柱区焦耳热源，为弧柱区电子能级跃迁引起的热交换，为弧柱区热辐射损失。
进一步，麦克斯韦方程组的表达式如公式（6）、公式（7）和公式（8）所示，分别为电流连续性方程、欧姆定律和麦克斯韦方程：
（6）
（7）
（8）
式中，为径向的电场强度分量，为轴向的电场强度分量，为磁感应强度的
切向分量，为磁导率，为径向电流密度，为轴向电流密度，为电导率。
本发明的另一目的在于提供一种基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟系统，该系统实施所述的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法，该系统包括：
起弧点参数确认模块，用于确认起弧点的具体参数，包括：电弧长度、线缆直径、铝板厚度、起弧点与电源的距离；
几何模型构建模块，用于根据确认的起弧点的具体参数，使用COSMOL软件构建几何模型并进行网格划分，检查网格质量；
模型参数设置模块，用于设置几何模型参数，设置求解器为瞬态求解器，计算电流、电路、磁场、层流和流体传热物理场接口的参数，设置几何模型物性参数和边界条件；
电弧持续时间模块，用于求解电弧持续时间，通过线路中断路保护器的特性曲线，计算断路保护器的动作时间，将动作时间作为电弧持续时间；
模型计算模块，用于设置仿真模型和求解算法，设置容差因子和最大牛顿迭代次数，对仿真模型进行初始化，设置时间步长与计算步数，开始计算，若不收敛则调整参数，重新计算直至仿真模型收敛；
电弧电气特性分布获取模块，用于通过对结果处理，得到电弧的电气特性，包括：温度场、电场、磁场、流场和压力场的分布；
相变体积计算模块，用于通过表面积分，计算线缆和结构体的相变体积，检查对应时间电弧对结构体的损伤体积。
进一步，该基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟系统搭载在飞机28V直流配电系统上，用于对接地电弧故障进行检测。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明基于热等离子体电弧的磁流体动力学理论，以飞机管道结构常用金属材料铝6061-T6为研究对象，建立28V直流航空接地电弧的电磁热多物理场耦合模型，分析不同起弧点对电弧特性和结构体损伤程度的影响。本发明能够实现对飞机28V直流配电系统接地电弧故障进行建模，该模型具有较高的精度，可用于分析航空接地电弧过程中电气特性，评估电弧对管道结构的损伤程度，并降低验证的试验成本减少线缆电弧电气火灾的风险，为飞机EWIS设计提供一定的理论支撑。
本发明基于有限元分析，建立直流电弧作用下，结构体的损伤分析模型，开展接地电弧的电磁热多场特性及其与材料的耦合分析，计算航空直流电弧作用下结构体的损伤体积等参数，并与试验结果进行对比，验证了模型准确性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；
图1是本发明实施例提供的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法流程图；
图2是本发明实施例提供的航空电弧损伤轴对称模型图；
图3是本发明实施例提供的COMSOL中接地电弧损伤模型的几何建模图；
图4是本发明实施例提供的图3对应的网格划分图；
图5是本发明实施例提供的不同温度下空气的密度关系图；
图6是本发明实施例提供的不同温度下空气的恒压热容关系图；
图7是本发明实施例提供的不同温度下空气的导热系数关系图；
图8是本发明实施例提供的不同温度下空气的粘度关系图；
图9是本发明实施例提供的不同温度下空气的电导率关系图；
图10是本发明实施例提供的不同温度下空气的热辐射系数关系图；
图11是本发明实施例提供的断路器的工作曲线图；
图12为得到起弧点为25ft时直流电弧电气温度场的分布图；
图13为得到起弧点为25ft时直流电弧电气电场的分布图；
图14为得到起弧点为25ft时直流电弧电气磁场的分布图；
图15为得到起弧点为25ft时直流电弧电气流场的分布图；
图16为得到起弧点为25ft时直流电弧电气压力的分布图；
图17是本发明实施例提供的起弧点为25ft时直流电弧损伤图；
图18是本发明实施例提供的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟系统图；
图中：1、起弧点参数确认模块；2、几何模型构建模块；3、模型参数设置模块；4、电弧持续时间模块；5、模型计算模块；6、电弧电气特性分布获取模块；7、相变体积计算模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本发明实施例提供的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法及系统，创新点在于：以飞机管道结构常用金属材料为对象，基于热等离子体电弧的磁流体动力学理论，建立28V直流航空接地电弧的电磁热多物理场耦合模型，获取不同起弧点对电弧特性的影响，并计算航空直流电弧作用下结构体的损伤体积参数，以及与试验结果进行对比。
实施例1，如图1所示，本发明实施例提供的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法，包括以下步骤：
S1、确认起弧点的具体参数，包括：电弧长度、线缆直径、铝板厚度、起弧点与电源的距离；
S2、根据确认的起弧点的具体参数，使用COSMOL软件构建几何模型并进行网格划分，检查网格质量；
其中，确保网格质量大于0.7；
S3、设置几何模型参数，设置求解器为瞬态求解器，计算电流、电路、磁场、层流和流体传热物理场接口的参数，设置几何模型物性参数和边界条件；
其中，流体传热物理场接口的参数包括：磁矢量、散度条件变量、压力、温度、速度场、电势、终端电压和电流；所述几何模型物性参数包括：重力加速度、材料物性参数；
S4、求解电弧持续时间，通过线路中断路保护器的特性曲线，计算断路保护器的动作时间，将动作时间作为电弧持续时间；
其中，采用试验环境中线缆损伤6mm的时间作为电弧持续时间的阈值上限，不同起弧点其阈值上限存在差异，以起弧点为25ft时直流电弧为例，其阈值上限为267ms，而通过计算得出的电弧持续时间为395ms；
S5、设置仿真模型和求解算法，设置容差因子和最大牛顿迭代次数，对仿真模型进行初始化，设置时间步长与计算步数，开始计算，若不收敛则调整参数，重新计算直至仿真模型收敛；
S6、通过对结果处理，得到电弧的电气特性，包括：温度场、电场、磁场、流场和压力场的分布；
S7、通过表面积分，计算线缆和结构体的相变体积，检查对应时间电弧对结构体的损伤体积。
在本发明实施例步骤S4中，电弧持续时间，其时间曲线表达式如式（1）所示：
（1）
式中，为断路器动作时间，为故障电流与断路器额定电流比值的百分比，，，，。
可以理解，公式（1）一般应用于大电流，不适用于小电流问题，对于航空直流接地电弧持续时间，本发明通过公式（1）和仿真的阈值上限相结合，适用于小电流和大电流。
在本发明实施例步骤S5中，仿真模型包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和麦克斯韦方程组，公式（2）为质量守恒方程，表达式为：
（2）
式中，为对公式进行求导，为等离子体密度，为断路器动作时间，为模型的
径向，为等离子体的径向速度，为模型的轴向，为等离子体的轴向速度。
径向和轴向的动量守恒方程的表达式分别如公式（3）和公式（4）所示：
（3）
（4）
式中，为弧柱区压力，为弧柱区径向电磁力，为等离子体的粘度，为弧柱区
轴向电磁力，为重力加速度。
能量守恒方程的表达式如公式（5）所示：
（5）
式中，为等离子体焓值，为等离子体导热系数，为等离子体恒压热容，为弧
柱区焦耳热源，为弧柱区电子能级跃迁引起的热交换，为弧柱区热辐射损失。
麦克斯韦方程组的表达式如公式（6）、公式（7）和公式（8）所示，分别为电流连续性方程、欧姆定律和麦克斯韦方程：
（6）
（7）
（8）
式中，为径向的电场强度分量，为轴向的电场强度分量，为磁感应强度的
切向分量，为磁导率，为径向电流密度，为轴向电流密度，为电导率。
在本发明实施例步骤S6中，计算线缆和结构体的相变体积，查看对应时间电弧对结构体的损伤体积。
通过上述实施例表明，航空电弧损伤试验成本高、危险较大、可监控测量的参数较少、可重复性差，该发明具备成本低、安全可靠、可监控参数多、可重复性好的特点，能够较好的模拟28V直流的航空直流电弧损伤，并对未来电压等级升高的多电全电飞机的电弧损伤预测，具有一定价值。
国外从研究导线电弧产生的热量对飞机上管路的影响开始，深入分析电弧故障对邻近结构、部件、易燃品以及非EWIS系统结构的影响。而国内研究主要集中在开断电弧过程中触头的温度分布、材料侵蚀及电弧能量对金属摩擦磨损性能的影响，国内EWIS隔离手册几乎完全借鉴外国标准，关于电弧故障对飞机EWIS结构的影响的研究较少，本发明可以更好地了解航空电弧故障的机理和特性及对飞机EWIS结构的影响，可以填补国内在这一领域的研究空白，为飞机EWIS系统的设计和维护提供指导。
本发明基于飞机金属管道结构，针对不同的起弧点，研究了接地电弧的电气特性和损伤影响，对国内EWIS系统电弧损伤的研究空白，起到了一定的指导作用。
本发明对EWIS系统电弧损伤进行了相关研究，通过加强相关研究，可以提高飞机EWIS系统的安全性和可靠性，并对国内自主研发的国产飞机EWIS设计提供帮助。
实施例2，作为本发明另一种实施方式，本发明实施例提供的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法以起弧点距离电源25ft时航空电弧故障对铝板结构体的损伤情况模拟计算为例，具体包括：
步骤1，确认模型具体参数。本实施例采用图2至图4所示的几何尺寸。航空直流接地电弧损伤试验主要由28V直流电源、20AWG线缆、铝合金刀片和10A断路器四部分组成，该试验类似于AS4373.301试验，通过移动刀片切割绝缘引起电弧，损伤线缆和刀片。根据试验模型建立一个线缆、电弧、结构体的二维轴对称模型，如图2所示，6、8为对称轴；1、3、5为20AWG线缆，线缆的直径为0.813mm，长度为9mm；7、8、9、10为结构体，结构体使用AL6061-T6材质，AL6061-T6材质在民机管道中广泛应用，AL6061-T6材质的半径为10mm，高度为6mm；2、3、4、6、7部分为空气域，线缆与结构体之间距离为1mm。
（2）使用COSMOL软件构建几何模型。本实施例中基于COMSOL构建了接地电弧损伤模型。图3为COMSOL中接地电弧损伤模型的几何建模，其对应的网格划分如图4所示，主要采用三角形和四边形，对两极边界层添加边细化，对空气域添加边界层并进行角细化，网格数量为7103，网格平均质量为0.8253，网格质量大于0.7，具有较高的网格质量。
（3）设置模型参数。本实施例中基于实际环境设置模型参数。如图2所示，根据电弧试验对电弧几何模型边界和区域参数进行如下设置。将空气域的外围边界2、4设置为压力型出口边界，电弧产生的高温可由边界处散出。将线缆的边界1设置为终端，可在边界1上对模型施加电压激励模拟试验中电弧两端电压，将结构体的边界9、10设置为接地。将3、5和7分别设置为平衡放电边界热源。模型环境气压设置为1atm，环境温度设置为293.5K。在电弧放电过程中，主要考虑空气的热电离过程，根据不同温度下空气的输运特性和热动力学参数，设置空气域的密度、恒压热容、导热系数、粘度、电导率和热辐射系数等参数，如图5至图10所示。
在模型计算时需使用到材料的性能参数，线缆铜材料和结构体铝6061-T6材料直接采用COMSOL材料库中的相关数据，需要在热场中添加线缆的相变材料模块，对现有技术难以评估的电弧损伤线缆的动态过程进行计算，确定电弧持续时间上限；需要在热场中添加结构体的相变材料模块，计算结构体的损伤。而相关的材料性能，包含熔化温度、汽化温度、液化潜热和汽化潜热，由表1材料物性参数表列出。
表1
可以理解，现行计算大多考虑的大电流下的电弧持续时间，对小电流相关研究较少，本发明适用于大电流和小电流的电弧时间计算。
（4）求解电弧持续时间。本实施例中基于断路器工作时间求解电弧持续时间。
电弧的持续时间取决于线路中的断路保护器的特性。当电弧电流达到断路保护器的动作电流时，断路保护器会切断电路，以保护线路和负载的安全。本发明采用典型民航飞机中25℃下断路保护器的断路时间作为电弧持续时间，其时间曲线如图11所示。
在电弧电流较小的情况下，简单的潜在损伤模型可能存在问题。如果电路保护没有及时打开，电弧将有足够的时间持续存在。低电流电弧放电损伤难以评估，而根据试验长时(>10s)电弧不会对结构造成明显损伤，结构散热会损耗大部分电弧能量。本发明采用试验环境中线缆损伤6mm的时间作为电弧持续时间的阈值上限，不同起弧点其阈值上限存在差异，以起弧点为25ft时直流电弧为例，其阈值上限为267ms，而通过计算得出的电弧持续时间为395ms。
（5）设置仿真模型和求解算法。本实施例中基于模型构建设置求解器，选择算法。
模型环境气压设置为1atm，环境温度设置为293.5K。电弧损伤模型为瞬态模型，求解器配置选择瞬态求解器PARDISO，容差因子设置为0.3，最大牛顿迭代次数设置为25，仿真时间通过比较断路器动作时间和电弧持续时间上限来确定，起弧点距离电源25ft时，设置时间为267ms，步长为1ms。
（6）求解电弧的电气特性。本实施例中基于模型仿真结果求解电弧的电气特性。
通过对仿真结果的后处理，得到起弧点为25ft时直流电弧电气特性，包括温度场、电场、磁场、流场和压力的分布，如图12至图16所示。
（7）计算结构体的损伤体积。本实施例中基于表面积分求解结构体损伤体积。
如图17所示，电弧产生的热量传递到铝板上会使的铝板的温度升高，在电弧的阴极区和阳极区呈现较大的损伤分布，A、B、C、D四个区域为电弧造成的损伤，其中A、D区域为熔化损伤，B、C区域为汽化损伤。在本实施例中起弧点距离电源25ft，结构体损伤体积的实验结果为11.72mm3，模拟仿真结果为11.25mm3，仿真结果与实验结果的误差从航空安全角度考虑是可被接受的,由此可证明电弧模型的合理性和仿真结果的可信性。
本发明以飞机管道常用线缆和金属为例，基于二维轴对称MHD模型，对飞机典型28V直流电源系统开展多场特性及接地电弧损伤分析，通过该模型，可以对比不同起弧点时，不同电弧电流下温度场、电场、磁场、流场和压力场的参数分布，基于断路器和电弧持续时间上限对比确定熄弧时间，研究不同电弧电流对接地电弧损伤的影响。接地电弧损伤仿真结果与试验测量参考值吻合度较高，验证了接地电弧损伤仿真模型的正确性，为飞机EWIS设计提供一定的理论支撑。
通过上述实施例可知，本发明以飞机管道结构常用金属材料为研究对象，基于热等离子体电弧的磁流体动力学理论，建立28V直流航空接地电弧的电磁热多物理场耦合模型，分析不同起弧点对电弧特性和结构体损伤程度的影响。结果表明，起弧点的变化会改变电弧电流和持续时间及其耦合过程，影响结构体的损伤程度，通过仿真得到的损伤结果和试验结果数据吻合。在此基础上，揭示了接地电弧的电气特性，包括其温度场、电场、磁场、流场和压力场的分布和变化规律。针对国内EWIS相关标准缺乏自主设计能力的问题，本发明基于COMSOL开发了一个接地电弧损伤模型，分析航空接地电弧过程中电气特性，评估电弧对管道结构的损伤程度，并降低验证的试验成本减少线缆电弧电气火灾的风险，为飞机EWIS设计提供一定的理论支撑。
实施例3，如图18所示，本发明实施例提供的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟系统，包括：
起弧点参数确认模块1，用于确认起弧点的具体参数，包括:电弧长度、线缆直径、铝板厚度、起弧点与电源的距离；
几何模型构建模块2，用于根据确认的起弧点的具体参数，使用COSMOL软件构建几何模型并进行网格划分，检查网格质量，确保网格质量大于0.7；
模型参数设置模块3，用于设置几何模型参数，设置求解器为瞬态求解器，计算电流、电路、磁场、层流和流体传热物理场接口的参数，设置几何模型物性参数（重力加速度、各材料物性参数）和边界条件；
电弧持续时间模块4，用于通过线路中的断路保护器的特性曲线，计算断路保护器的动作时间，将动作时间作为电弧持续时间。采用试验环境中线缆损伤6mm的时间作为电弧持续时间的阈值上限，不同起弧点其阈值上限存在差异，以起弧点为25ft时直流电弧为例，其阈值上限为267ms，而通过计算得出的电弧持续时间为395ms；
模型计算模块5，用于设置仿真模型和求解算法，设置容差因子和最大牛顿迭代次数，对仿真模型进行初始化，设置时间步长与计算步数，开始计算，若不收敛则调整相应参数，重新计算直至仿真模型收敛；
电弧电气特性分布获取模块6，用于通过对结果的后处理，得到电弧的电气特性，包括其温度场、电场、磁场、流场和压力场的分布；
相变体积计算模块7，用于通过表面积分，计算线缆和结构体的相变体积，查看对应时间电弧对结构体的损伤体积。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。
本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。
本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存取存储器（Random AccessMemory，RAM）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，该方法以飞机管道结构的金属材料为对象，基于热等离子体电弧的磁流体动力学理论，建立28V直流航空接地电弧的电磁热多物理场耦合模型，获取不同起弧点对电弧特性的影响，计算航空直流电弧作用下结构体的损伤体积参数，并与试验结果进行对比；具体包括以下步骤：
S1、确认起弧点的具体参数，包括：电弧长度、线缆直径、铝板厚度、起弧点与电源的距离；
S2、根据确认的起弧点的具体参数，使用COSMOL软件构建几何模型并进行网格划分，检查网格质量；
S3、设置几何模型参数，设置求解器为瞬态求解器，计算电流、电路、磁场、层流和流体传热物理场接口的参数，设置几何模型物性参数和边界条件；
S4、求解电弧持续时间，通过线路中断路保护器的特性曲线，计算断路保护器的动作时间，将动作时间作为电弧持续时间；
S5、设置仿真模型和求解算法，设置容差因子和最大牛顿迭代次数，对仿真模型进行初始化，设置时间步长与计算步数，开始计算，若不收敛则调整参数，重新计算直至仿真模型收敛；
在步骤S5中，所述仿真模型包括：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和麦克斯韦方程组；
所述质量守恒方程的表达式如公式(2)所示：
式中，为对公式进行求导，ρ为等离子体密度，t为断路器动作时间，r为仿真模型的径向，vr为等离子体的径向速度，z为仿真模型的轴向，vz为等离子体的轴向速度；
S6、通过对结果处理，得到电弧的电气特性，包括：温度场、电场、磁场、流场和压力场的分布；
S7、通过表面积分，计算线缆和结构体的相变体积，检查对应时间电弧对结构体的损伤体积。
2.根据权利要求1所述的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，在步骤S2中，所述网格质量大于0.7。
3.根据权利要求1所述的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，在步骤S3中，所述流体传热物理场接口的参数包括：磁矢量、散度条件变量、压力、温度、速度场、电势、终端电压和电流；所述几何模型物性参数包括：重力加速度、材料物性参数。
4.根据权利要求1所述的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，在步骤S4中，所述电弧持续时间的表达式如公式(1)所示：
t＝eln{[ln(x-a)/b+c/d]} (1)
式中，t为断路器动作时间，x为故障电流与断路器额定电流比值的百分比，e为常数，a＝112.5667，b＝17.0362，c＝1.0123，d＝-0.10652。
5.根据权利要求1所述的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，所述径向和所述轴向的动量守恒方程的表达式分别如公式(3)和公式(4)所示：
式中，p为弧柱区压力，Fr为弧柱区径向电磁力，η为等离子体的粘度，Fz为弧柱区轴向电磁力，g为重力加速度。
6.根据权利要求1所述的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，所述能量守恒方程的表达式如公式(5)所示：
式中，h为等离子体焓值，k为等离子体导热系数，cp为等离子体恒压热容，QJ为弧柱区焦耳热源，QE为弧柱区电子能级跃迁引起的热交换，QR为弧柱区热辐射损失。
7.根据权利要求1所述的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，所述麦克斯韦方程组的表达式如公式(6)、公式(7)和公式(8)所示，分别为电流连续性方程、欧姆定律和麦克斯韦方程：
Jr＝σEr,Jz＝σEz (7)
式中，Er为径向的电场强度分量，Ez为轴向的电场强度分量，Bθ为磁感应强度的切向分量，μ为磁导率，Jr为径向电流密度，Jz为轴向电流密度，σ为电导率。
8.一种基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟系统，其特征在于，该系统实施权利要求1至7任意一项所述的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法，该系统包括：
起弧点参数确认模块(1)，用于确认起弧点的具体参数，包括：电弧长度、线缆直径、铝板厚度、起弧点与电源的距离；
几何模型构建模块(2)，用于根据确认的起弧点的具体参数，使用COSMOL软件构建几何模型并进行网格划分，检查网格质量；
模型参数设置模块(3)，用于设置几何模型参数，设置求解器为瞬态求解器，计算电流、电路、磁场、层流和流体传热物理场接口的参数，设置几何模型物性参数和边界条件；
电弧持续时间模块(4)，用于求解电弧持续时间，通过线路中断路保护器的特性曲线，计算断路保护器的动作时间，将动作时间作为电弧持续时间；
模型计算模块(5)，用于设置仿真模型和求解算法，设置容差因子和最大牛顿迭代次数，对仿真模型进行初始化，设置时间步长与计算步数，开始计算，若不收敛则调整参数，重新计算直至仿真模型收敛；
电弧电气特性分布获取模块(6)，用于通过对结果处理，得到电弧的电气特性，包括：温度场、电场、磁场、流场和压力场的分布；
相变体积计算模块(7)，用于通过表面积分，计算线缆和结构体的相变体积，检查对应时间电弧对结构体的损伤体积。
9.根据权利要求8所述的基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟系统，其特征在于，该系统搭载在飞机28V直流配电系统上，用于对接地电弧故障进行检测。
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