一種hirf條件下復(fù)合材料艙室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及屬于電磁環(huán)境效應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種HIRF條件下復(fù)合材料艙 室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料因其高強(qiáng)度、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)異性能而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空和航 天等工業(yè)領(lǐng)域，商用客機(jī)如波音B787和空客A380中復(fù)合材料比重大量增加，無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星 等航空航天器中對(duì)重量的苛刻要求，也大量采用復(fù)合材料。然而，不同于傳統(tǒng)的金屬材料， 復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和電磁屏蔽特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬材料，復(fù)雜電磁環(huán)境中的高強(qiáng)福射場(chǎng) (HIRF)信號(hào)很容易耦合進(jìn)入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體內(nèi)，導(dǎo)致電磁干擾問(wèn)題。因此，復(fù)合材料艙室內(nèi) 部的場(chǎng)強(qiáng)分析研究已成為近年來(lái)科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)。
[0003] 復(fù)合材料艙室內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲得，如現(xiàn)有國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利《一種低 電平掃描場(chǎng)的高強(qiáng)輻射場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法》（專(zhuān)利【申請(qǐng)?zhí)枴?01310218837. 9)，《一種 HIRF測(cè)量中地面多路徑反射干擾誤差的消除方法》（專(zhuān)利【申請(qǐng)?zhí)枴?01410706144.9)等，通 過(guò)建立低電平耦合等效方法測(cè)試艙室內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)。但是，實(shí)驗(yàn)方法往往成本高且周期較長(zhǎng)，要 求在復(fù)合材料艙室已經(jīng)成型情況下完成。一般地，設(shè)計(jì)師希望在艙室制造之前對(duì)潛在的電 磁干擾危害進(jìn)行預(yù)測(cè)，用于指導(dǎo)HIRF防護(hù)設(shè)計(jì)，這也是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。
[0004] 理論上，采用數(shù)值計(jì)算方法如矩量法、時(shí)域有限差分法等，能夠準(zhǔn)確分析出任意三 維幾何電磁模型的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)。但是，復(fù)合材料表現(xiàn)出非均勻各向異性的特點(diǎn)，且具有復(fù)雜的 微觀幾何構(gòu)型，在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中需要考慮內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格剖分，往往產(chǎn)生巨大的未 知數(shù)，求解過(guò)程漫長(zhǎng)甚至無(wú)法求解。因此，需要提出一種HIRF條件下復(fù)合材料艙室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng) 計(jì)算方法，通過(guò)獲取復(fù)合材料的等效電磁參數(shù)，解決復(fù)合材料艙室的數(shù)值計(jì)算難題，為HIRF 條件下復(fù)合材料艙室的電磁危害評(píng)估與防護(hù)設(shè)計(jì)提供有效手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種HIRF條件下復(fù)合材料艙室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法，解決由于 復(fù)合材料的非均勻特點(diǎn)帶來(lái)的數(shù)值計(jì)算內(nèi)存消耗大、計(jì)算慢甚至無(wú)法求解的問(wèn)題，為HIRF 條件下復(fù)合材料艙室的電磁危害評(píng)估與防護(hù)設(shè)計(jì)提供有效手段。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種HIRF條件下復(fù)合材料艙室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法，其特點(diǎn)是，該方法包含如下步 驟：
[0008] Sl，計(jì)算復(fù)合材料在HIRF效應(yīng)分析頻段內(nèi)的等效電磁參數(shù)；
[0009] S2,建立復(fù)合材料艙室的三維幾何模型，其模型材料的電磁特性由步驟Sl中得到 的等效電磁參數(shù)進(jìn)行描述；
[0010] S3,設(shè)置外部HIRF照射條件，對(duì)艙室模型進(jìn)行仿真計(jì)算；
[0011] S4,在所述的艙室內(nèi)建立近場(chǎng)觀察點(diǎn)獲取內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)值。
[0012] 所述步驟SI中所述的HIRF效應(yīng)分析頻段是400MHz~18GHz。
[0013] 所述步驟SI中所述的等效電磁參數(shù)是張量形式的復(fù)介電常數(shù)[ε rff]和復(fù)磁導(dǎo)率 [yeff]，分別表示為：
[0016] 式中，ε Mff、ε yrff、ε zrff分別為在直角坐標(biāo)系中X、y和Z方向的復(fù)介電常數(shù)， Μ Mff、Pyrff、Μ Z(3ff分別為在直角坐標(biāo)系中x、y和z方向的復(fù)磁導(dǎo)率。
[0017] 所述步驟S2中所述的復(fù)合材料艙室的三維幾何模型是由艙室物理尺寸建立的三 維幾何模型，且其模型材料的電磁特性用等效電磁參數(shù)來(lái)描述。
[0018] 所述步驟S3中設(shè)置外部HIRF照射條件是指，對(duì)照射到復(fù)合材料艙室中的且標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定的滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的外部電磁波的照射方向、極化方向和強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)置。
[0019] 所述步驟S4中所述的近場(chǎng)觀察點(diǎn)是在復(fù)合材料艙室內(nèi)的獲取電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)和相位的 數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0021] (1)采用等效電磁參數(shù)描述復(fù)合材料的電磁特性，在HIRF效應(yīng)的仿真計(jì)算過(guò)程 中，避免了對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格剖分求解，從而避免了巨大未知數(shù)的產(chǎn)生，解決 了復(fù)合材料數(shù)值計(jì)算求解慢甚至無(wú)法求解問(wèn)題。
[0022] (2)等效的電磁參數(shù)通用且易更改，用于HIRF防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)整艙室模型的等效 電磁參數(shù)即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不需要多次更改復(fù)合材料內(nèi)部本構(gòu)材料的分布以達(dá)到設(shè)計(jì)目 的。
[0023] (3)可以在復(fù)合材料艙室內(nèi)靈活設(shè)置近場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)值觀察點(diǎn)，方面與后期的HIRF效 應(yīng)測(cè)試驗(yàn)證進(jìn)行對(duì)比。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為本發(fā)明一種HIRF條件下復(fù)合材料艙室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法的流程圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中碳纖維復(fù)合材料的截面示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中復(fù)合材料艙室模型及照射條件示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 以下結(jié)合附圖，通過(guò)詳細(xì)說(shuō)明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
[0028] 如圖1所示，一種HIRF條件下復(fù)合材料艙室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法，其特征在于，該方法 包含如下步驟：
[0029] S1，計(jì)算復(fù)合材料在HIRF效應(yīng)分析頻段內(nèi)的等效電磁參數(shù)。
[0030] 上述的HIRF效應(yīng)分析頻段是指行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的400MHz~18GHz。
[0031] 所述的等效電磁參數(shù)是張量形式的復(fù)介電常數(shù)[%ff]和復(fù)磁導(dǎo)率[μ#]，分別表 示為：
[0034] 式中，ε Mff、ε yrff、ε zrff分別為在直角坐標(biāo)系中X、y和ζ方向的復(fù)介電常數(shù)， μ Mff、μ yrff、μ zrff分別為在直角坐標(biāo)系中x、y和z方向的復(fù)磁導(dǎo)率。以X方向的復(fù)介電常 數(shù)為例，可以表示為：
[0036] 式中，￡。為空氣介電常數(shù)，取值為8.854\10呷/111，￡1^"為等效的相對(duì)介電常 數(shù)，σΜΗ為等效的電導(dǎo)率，ω為角頻率。
[0037] 當(dāng)復(fù)合材料表現(xiàn)為各向同性時(shí)，有：
[0038] ε xeff - ε yeff - ￡ zeff，（4)
[0039] 各個(gè)方向的復(fù)介電常數(shù)通過(guò)采用均勻化技術(shù)求解獲得，如采用Maxwell-Garnett 方程、Bruggmen公式、基于摻雜物問(wèn)題的動(dòng)態(tài)均勾化公式等。
[0040] S2,建立復(fù)合材料艙室的三維幾何模型，其模型材料的電磁特性由步驟Sl中得到 的等效電磁參數(shù)進(jìn)行描述；
[0041] 所述的復(fù)合材料艙室的三維幾何模型是由艙室物理尺寸建立的三維幾何模型，模 型材料的電磁特性用等效電磁參數(shù)來(lái)描述。
[0042] S3,設(shè)置外