CN117290908B - 雷电流连续组合分量的电热仿真方法 - Google Patents

雷电流连续组合分量的电热仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种雷电流连续组合分量的电热仿真方法，具体为：步骤1，建立仿真几何模型并定义边界条件；步骤2，给几何模型施加电流分量1并将所有变量初始值设置为常温下的值，然后计算所有变量的值；步骤3，电流分量1加载完成后，用下一个电流分量作为电流分量1将其电流、热流载荷继续给几何模型施加，并将所有变量初始值设置为步骤2计算的电流分量1最后一个时间步所有变量的值，计算所有变量的值，重复执行步骤2‑3，直至完成所有电流分量的施加，并输出计算结果。本发明解决了现有技术中存在的雷电环境下结构的电热耦合损伤仿真计算时只采用一种电流分量无法准确模拟真实的雷电流对材料的作用过程的问题。

Description

雷电流连续组合分量的电热仿真方法
技术领域
本发明属于雷电仿真方法技术领域，涉及一种雷电流连续组合分量的电热仿真方法。
背景技术
雷电作为一种典型的自然界极端环境，严重威胁飞行器的飞行安全。雷电环境试验危险性高、试验成本高、对试验人员技术要求高，因此仿真计算成为研究雷电流作用过程的一种重要手段。标准规定雷电在一次放电过程中包含四种不同电流分量，而目前国内进行雷电环境下结构的电-热耦合损伤仿真计算时，多只采用一种电流分量，但在实际雷电流环境下，作用于结构的雷电流往往是多重分量的组合波形，因此仅仿真单一电流分量无法准确模拟真实的雷电流对材料的作用过程，影响材料在雷击作用下的损伤评估。
发明内容
本发明的目的是提供一种雷电流连续组合分量的电热仿真方法，解决了现有技术中存在的雷电环境下结构的电热耦合损伤仿真计算时只采用一种电流分量无法准确模拟真实的雷电流对材料的作用过程的问题。
本发明所采用的技术方案是，雷电流连续组合分量的电热仿真方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，建立仿真几何模型，并给几何模型定义与温度相关的电热物理属性和场边界条件；
步骤2，给经过步骤1设置好条件的几何模型施加电流分量1的电流、热流载荷，并将所有变量初始值设置为常温下的值，然后计算所有变量的值；
步骤3，电流分量1加载完成后，用下一个电流分量作为电流分量1将其电流、热流载荷继续给几何模型施加，并将所有变量初始值设置为步骤2计算的电流分量1最后一个时间步所有变量的值，继续计算所有变量的值，如此重复执行步骤2-3，将上一个电流分量最后一个时间步计算所得的所有变量的值作为下一个循环时变量的初始值，直至完成所有电流分量的施加，并输出计算结果。
本发明的特征还在于，
步骤1中与温度相关的电热物理属性具体为电导率、热导率、密度、比热容，场边界条件具体包括电场边界条件和温度场边界条件，电场边界条件为：几何模型某一端接地，其余表面为电绝缘状态；温度场边界条件为：几何模型中施加电流或热流的表面设置为热辐射状态，其余表面为热绝缘状态。
步骤2中的变量包含材料的参数性能：密度、比热容、电导率、热导率以及经过计算得到的材料的温度场和电场中的相关变量。
步骤2中计算所有变量的值具体为：根据电场控制方程和温度场控制方程计算每个时间步下所有变量的值。
电场控制方程和温度场控制方程如下：
电场控制方程：
雷击下结构中的电场由Maxwell方程控制，即：
（1）
式中，V为单元体积；J为单元电流密度；S为单元截面积；为单元电荷体密度；n为面S的外法向，单元电流密度J由欧姆定律描述：
（2）
式中，为电导率；E为电场强度；/>为电势，模型中的控制方程为：
（3）
温度场控制方程：
雷电流产生的热扰动源属于级，采用稳态Fourier热传导方程描述本模型的热传导过程：
（4）
式中，为材料密度；Q为材料内能；ω为温度的变分拟合函数；k为热传导系数；q为单元面积的流入热流；δ为单元体积内产生的热量。
步骤2在计算所有变量的值的计算过程中判断每个时间步下温度变量是否达到损伤温度，若是，则材料性能发生折减，若没有，则材料性能不变。
步骤3具体为：
电流分量1加载完成后，给经过施加电流分量1的几何模型施加电流分量2的电流、热流载荷，并将所有变量初始值设置为步骤2计算的电流分量1最后一个时间步所有变量的值，根据电场控制方程和温度场控制方程计算每个时间步下所有变量的值；待电流分量2施加完成后，将给经过施加电流分量2的几何模型施加下一个电流分量的电流、热流载荷，然后计算每个时间步下所有变量的值，如此循环，在施加上一个电流分量的基础上给几何模型施加下一个电流分量的电流、热流载荷，将上一个电流分量施加时计算得到的最后一个时间步所有变量的值作为下一次循环变量的初始值，直至完成所有电流分量的施加，并输出计算结果。
本发明的有益效果是：
本发明按照顺序依次施加电流分量，并通过初始值的设置，叠加上一电流分量对材料遭受雷击的影响，本发明相比于仿真单一电流分量能更真实地模拟材料遭受雷击时的损伤效应，为飞行器不同雷击分区的防雷设计提供指导。
附图说明
图1是本发明雷电流连续组合分量的电热仿真方法的流程图；
图2是本发明实施例4中的几何模型和边界条件设置图；
图3是本发明实施例4中电流分量D波的波形图；
图4是本发明实施例4中施加电流分量D波时变量初始值为常温下值的设置界面图；
图5是本发明实施例4中电流分量B波的波形图；
图6是本发明实施例4中施加电流分量B波时变量初始值设置为上一步研究结果最后一步值的设置界面图；
图7是本发明实施例4中电流分量C*波的波形图；
图8是本发明实施例4中施加电流分量C*波时变量初始值设置为上一步研究结果最后一步值的设置界面图；
图9是本发明实施例4中施加完电流分量D的面内方向的材料温度云图；
图10是本发明实施例4中在D的基础上施加完电流分量B的面内方向的材料温度云图；
图11是本发明实施例4中在B的基础上施加完电流分量C*的面内方向的材料温度云图；
图12是本发明实施例4中施加完电流分量D的深度方向的材料温度云图；
图13是本发明实施例4中在D的基础上施加完电流分量B的深度方向的材料温度云图；
图14是本发明实施例4中在B的基础上施加完电流分量C*的深度方向的材料温度云图；
图15为本发明实施例4中单独施加电流分量B的界面设置图；
图16为本发明实施例4中单独施加电流分量C*的界面设置图；
图17是本发明实施例4中单独施加电流分量B的面内方向的材料温度云图；
图18是本发明实施例4中单独施加电流分量B的深度方向的材料温度云图；
图19是本发明实施例4中单独施加电流分量C*的面内方向的材料温度云图；
图20是本发明实施例4中单独施加电流分量C*的深度方向的材料温度云图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明雷电流连续组合分量的电热仿真方法，其流程如图1所示，具体按照如下步骤实施：
步骤1，建立仿真几何模型，并给几何模型定义与温度相关的电热物理属性和场边界条件；
步骤2，给经过步骤1设置好条件的几何模型施加电流分量1的电流、热流载荷，并将所有变量初始值设置为常温下的值，然后计算所有变量的值；计算所有变量的值的计算过程中判断每个时间步下温度变量是否达到损伤温度，若是，则材料性能发生折减，若没有，则材料性能不变；变量包含材料的参数性能：密度、比热容、电导率、热导率以及经过计算得到的材料的温度场和电场中的变量，计算所有变量的值具体为：根据电场控制方程和温度场控制方程计算每个时间步下所有变量的值，电场控制方程和温度场控制方程如下：
电场控制方程：
雷击下结构中的电场由Maxwell方程控制，即：
（1）
式中，V为单元体积；J为单元电流密度；S为单元截面积；为单元电荷体密度；n为面S的外法向，单元电流密度J由欧姆定律描述：
（2）
式中，为电导率；E为电场强度；/>为电势，模型中的控制方程为：
（3）
温度场控制方程：
雷电流产生的热扰动源属于级，采用稳态Fourier热传导方程描述本模型的热传导过程：
（4）
式中，为材料密度；Q为材料内能；ω为温度的变分拟合函数；k为热传导系数；q为单元面积的流入热流；δ为单元体积内产生的热量；
步骤3，电流分量1加载完成后，用下一个电流分量作为电流分量1将其电流、热流载荷继续给几何模型施加，并将所有变量初始值设置为步骤2计算的电流分量1最后一个时间步所有变量的值，继续计算所有变量的值，如此重复执行步骤2-3，将上一个电流分量最后一个时间步所有变量的值作为下一个循环时变量的初始值，直至完成所有电流分量的施加，并输出计算结果，具体为：
电流分量1加载完成后，给经过施加电流分量1的几何模型施加电流分量2的电流、热流载荷，并将所有变量初始值设置为步骤2计算的电流分量1最后一个时间步所有变量的值，根据电场控制方程和温度场控制方程计算每个时间步下所有变量的值；待电流分量2施加完成后，将给经过施加电流分量2的几何模型施加下一个电流分量的电流、热流载荷，然后计算每个时间步下所有变量的值，如此循环，在施加上一个电流分量的基础上给几何模型施加下一个电流分量的电流、热流载荷，将上一个电流分量施加时计算得到的最后一个时间步所有变量的值作为下一次循环变量的初始值，直至完成所有电流分量的施加，并输出计算结果。
步骤2中计算过程中会得到材料的温度，材料各性能在特定温度下是不一样的。例如当温度达到300摄氏度时，材料的比热容值就会发生变化。
实施例2
在实施例1的基础上，与温度相关的电热物理属性具体为电导率、热导率、密度、比热容，这些性能参数随温度变化。本发明的模型仅包含电场和温度场两个物理场，因此场边界条件指的是这两个场边界条件，场边界条件具体包括电场边界条件和温度场边界条件，电场边界条件为：几何模型某一端接地，其余表面为电绝缘状态；温度场边界条件为：几何模型中施加电流或热流的表面设置为热辐射状态，其余表面为热绝缘状态。
实施例3
在实施例1的基础上，本发明在进行下一个电流分量加载时，首先需要判断上一个电流分量是否加载完，如果加载完，则继续下一个电流分量的加载，在判断电流分量是否加载完时，根据电流分量的时间进行判断，电流分量的波形是一个关于时间的函数，假设其时间总共是500s，那么完整的电流波形作用完以后，电流分量自然就加载完成，因此加载时设置需要计算的时长等于电流波形的时长，依据此判断每个电流分量是否加载完。
在实施例1的基础上，本发明在计算变量过程中程借助三维仿真软件COMSOL，在软件中设置好以后就点击开始计算，软件就会自动计算。
在本实施例中，每个电流分量计算完成以后，软件自动存储了电流分量加载完成的那个时刻，即就是最后一个时间步的结果，结果包括最后时刻材料的温度、电压以及对应的温度下材料的密度、比热容、电导率，那么下一个电流分量计算即就是在上一个电流分量计算结果的基础上的累加；比如：计算电流分量1之前，材料的密度是常温下25摄氏度下的1520，那么电流分量1加载完成以后，材料的温度会升高，材料温度变成了600摄氏度，那么它的密度就变成了1100，而电流分量2就是在以材料密度为1100的基础上开始新一轮计算的。
实施例4
依据COMSOL软件采用本发明的雷电流连续组合分量的电热仿真方法进行仿真，仿真对象是复合材料层合板，表1为材料参数表，施加的雷电流组合波形是DBC*，具体按照如下步骤实施：
步骤1：模型及边界条件设置，几何模型如图2所示，边界条件为：上表面为热辐射状态，其余表面热绝缘；四周侧面接地，上下表面为电绝缘状态。
表1材料参数
温度℃ 密度kg/m3 比热容J/(kg∙K) 纵向热导率W/(m∙K) 横向热导率W/(m∙K) 厚度热导率W/(m∙K) 纵向电导率S/m 横向电导率S/m 厚度电导率S/m
25 1520 1065 11.8 0.609 0.609 2.94E4 77.8 7.94E-4
300 1520 2100 11.8 0.609 0.609 2.94E4 77.8 7.94E-4
400 1520 2100 2.608 0.18 0.18 2.94E4 778 7.94
500 1100 2100 1.736 0.1 0.1 2.94E4 2E3 2E3
600 1100 1700 1.736 0.1 0.1 2.94E4 2E3 2E3
1000 1100 1900 1.736 0.1 0.1 2.94E4 2E3 2E3
3316 1100 2509 1.376 0.1 0.1 2.94E4 2E4 2E4
>3316 1100 1E6 0.02 0.02 6.77 0.02 0.02 2.5E4
步骤2：施加电流分量D的电流载荷，并将所有变量初始值设置为常温下的值，然后开始计算， 电流分量D的波形图如图3所示，初始值设置界面如图4所示；
步骤3：电流分量D计算完成后，施加电流分量B的电流载荷，将所有变量初始值设置为步骤2计算的电流分量D最后一个时间步所有变量的值；电流分量B的波形图如图5所示，初始值设置界面如图6所示；
步骤4，电流分量B计算完成后，施加电流分量C*的电流载荷，将所有变量初始值设置为步骤3计算的电流分量B最后一个时间步所有变量的值；电流分量C*的波形图如图7所示，初始值设置界面如图8所示；
以300为损伤界限，图9为单独施加电流分量D之后的结果，可以看出，由于焦耳热效应，材料面内出现了哑铃型的热损伤形态，且哑铃的长轴沿表面45o方向，这是因为表层复合材料的纤维沿45o方向铺设，且纤维方向的电导率较大，因此热损伤也主要沿该方向扩展，图12为单独施加电流分量D之后材料中心截面厚度方向上的温度云图，由图可以看出厚度方向热损伤延伸至了第五铺层，但第五铺层的损伤深度极小；
图10为在电流分量D的基础上施加电流分量B之后的面内温度云图，由图可以看出，材料面内仍然呈哑铃型的热损伤分布，但相较于图9，沿-45o方向有轻微延伸，图13为该步骤之后的厚度方向上的云图，损伤在厚度方向上仍然延伸至第五铺层，但与图12相比，第五铺层内的损伤明显增加。
图11为在电流分量B的基础上施加电流分量C*之后的面内温度云图，由图可以看出，与图10相比，材料面内热损伤沿-45o方向明显扩展，损伤形态已经由哑铃型转变为椭圆形，图14为其厚度方向的温度云图，厚度方向上热损伤也有所增加，已经延伸至了第六铺层。
综上，在前一分量作用结果的基础上施加后一分量，材料的面内热损伤和深度方向的热损伤均有所增加，可以反映多重电流分量对材料的组合效应。
为了对比，下面为分别单独施加电流分量B和C*，且变量初始均设置为常温下的值。
图17为单独施加电流分量B之后的面内温度云图，由图可以看出，单独施加电流分量B，其面内热损伤形态类似呈一个细长的椭圆形，椭圆长轴沿表层纤维方向，图18为其中心截面深度方向的温度云图，由图可以看出，其热损伤仅延伸至第二铺层，与图10和图13对比，单独施加电流分量B，其损伤范围明显低于前面的叠加效应。
图19为单独施加电流分量C*之后的面内温度云图，由图可以看出，同样，其面内热损伤形态类似呈一个细长的椭圆形，椭圆长轴沿表层纤维方向，图20为其深度方向上的温度云图，由图可以看出，深度方向上的损伤延伸至了第四铺层。与图11和图14对比，单独施加电流分量C*，其损伤范围明显低于前面的叠加效应。
虽然单独施加电流分量也可以计算出材料一定的热损伤范围，但在实际情况下，材料遭受雷击往往是多重电流分量的组合，因此本专利雷电流连续组合分量的仿真方法更能真实地模拟材料遭受雷击时的损伤效应。
本发明雷电流连续组合分量的电热仿真方法可以更真实地模拟结构在实际雷电流环境下的热损伤情况，SAE ARP5414将飞机机身划分了不同的雷击分区，每一雷击分区下对应不同的雷电流波形组合，例如2A区的雷电流波形为DBC*。因此通过本方法的仿真模拟，可以评估机身不同雷击分区的结构材料遭受雷击时的热损伤情况，极大地降低试验成本，为飞行器不同雷击分区的防雷设计提供指导。

Claims (5)

1.雷电流连续组合分量的电热仿真方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：
步骤1，建立仿真几何模型，并给几何模型定义与温度相关的电热物理属性和场边界条件；
步骤2，给经过步骤1设置好条件的几何模型施加电流分量1的电流、热流载荷，并将所有变量初始值设置为常温下的值，然后计算所有变量的值；
其中，计算所有变量的值具体为：根据电场控制方程和温度场控制方程计算每个时间步下所有变量的值；
所述电场控制方程和温度场控制方程如下：
电场控制方程：
雷击下结构中的电场由Maxwell方程控制，即：
（1）
式中，V为单元体积；J为单元电流密度；S为单元截面积；为单元电荷体密度；n为面S的外法向，单元电流密度J由欧姆定律描述：
（2）
式中，为电导率；E为电场强度；/>为电势，模型中的控制方程为：
（3）；
温度场控制方程：
雷电流产生的热扰动源属于级，采用稳态Fourier热传导方程描述本模型的热传导过程：
（4）
式中，为材料密度；Q为材料内能；ω为温度的变分拟合函数；k为热传导系数；q为单元面积的流入热流；δ为单元体积内产生的热量；
步骤3，电流分量1加载完成后，用下一个电流分量作为电流分量1将其电流、热流载荷继续给几何模型施加，并将所有变量初始值设置为步骤2计算的电流分量1最后一个时间步所有变量的值，继续计算所有变量的值，如此重复执行步骤2-3，将上一个电流分量最后一个时间步所有变量的值作为下一个循环时变量的初始值，直至完成所有电流分量的施加，并输出计算结果。
2.根据权利要求1所述的雷电流连续组合分量的电热仿真方法，其特征在于，所述步骤1中与温度相关的电热物理属性具体为电导率、热导率、密度、比热容，所述场边界条件具体包括电场边界条件和温度场边界条件，所述电场边界条件为：几何模型某一端接地，其余表面为电绝缘状态；所述温度场边界条件为：几何模型中施加电流或热流的表面设置为热辐射状态，其余表面为热绝缘状态。
3.根据权利要求1所述的雷电流连续组合分量的电热仿真方法，其特征在于，所述步骤2中所述的变量包含材料的参数性能：密度、比热容、电导率、热导率以及经过计算得到的材料的温度场和电场中的变量。
4.根据权利要求1所述的雷电流连续组合分量的电热仿真方法，其特征在于，所述步骤2在计算所有变量的值的计算过程中判断每个时间步下温度变量是否达到损伤温度，若是，则材料性能发生折减，若没有，则材料性能不变。
5.根据权利要求4所述的雷电流连续组合分量的电热仿真方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
电流分量1加载完成后，给经过施加电流分量1的几何模型施加电流分量2的电流、热流载荷，并将所有变量初始值设置为步骤2计算的电流分量1最后一个时间步所有变量的值，根据电场控制方程和温度场控制方程计算每个时间步下所有变量的值；待电流分量2施加完成后，将给经过施加电流分量2的几何模型施加下一个电流分量的电流、热流载荷，然后计算每个时间步下所有变量的值，如此循环，在施加上一个电流分量的基础上给几何模型施加下一个电流分量的电流、热流载荷，将上一个电流分量施加时计算得到的最后一个时间步所有变量的值作为下一次循环变量的初始值，直至完成所有电流分量的施加，并输出计算结果。
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