王凱國, 張 靜, 拓 勇, 吳 斌

基于FEKO軟件的魚雷殼體屏蔽效能仿真

王凱國, 張 靜, 拓 勇, 吳 斌

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

魚雷產(chǎn)品暴露在艦船甲板上時, 處于高強電磁輻射場中, 為保證雷內(nèi)火工品的安全性, 防止其不被意外點火, 雷殼的電磁屏蔽效能非常重要。文中采用FEKO軟件內(nèi)置的矩量法(MOM)建立魚雷殼體模型, 對魚雷殼體的電磁屏蔽效能進行了數(shù)值仿真, 分析了殼體屏蔽效能隨頻率和結(jié)構(gòu)的變化趨勢, 得出在諧振頻率點附近, 屏蔽效能表現(xiàn)惡劣; 隨著縫隙數(shù)目的增加, 屏蔽效能越差。文中所做研究工作為魚雷產(chǎn)品殼體屏蔽效能的測試和改善提供理論依據(jù)。

魚雷殼體; 電磁屏蔽效能; FEKO軟件; MOM算法

0 引言

魚雷內(nèi)部的火工品大多采用很小的帶有橋絲或橋帶的電阻元件(電起火管), 有意引爆電起爆裝置時, 電流脈沖通過橋絲或橋帶產(chǎn)生熱量, 引爆爆炸序列。當魚雷產(chǎn)品暴露于艦船甲板高強電磁場環(huán)境中時, 射頻感應(yīng)電流可能會造成橋絲或橋帶發(fā)熱, 從而導致電起爆裝置的無意引爆。因此, 為了保證雷內(nèi)火工品的安全性, 魚雷殼體必須具有良好的電磁屏蔽效能。魚雷金屬外殼包裹內(nèi)部的火工品, 對入射的電磁波具有一定的衰減效能, 因此魚雷內(nèi)部電起爆電路所處的電磁環(huán)境會比外部電磁環(huán)境弱很多。根據(jù)電磁兼容等效法, 文中使用矩量法(method of moment, MOM), 通過FEKO軟件對魚雷殼體的電磁屏蔽效能進行仿真計算, 以對屏蔽薄弱環(huán)節(jié)及時采取改進措施。

1 基本理論

1.1 屏蔽效能原理

電磁屏蔽的作用原理如下: 在一次場(源所在場)的作用下, 屏蔽體表面產(chǎn)生的感應(yīng)電荷, 以及其壁內(nèi)產(chǎn)生電流和磁極化共同產(chǎn)生出二次場, 二次場與一次場相疊加, 使得防護區(qū)域內(nèi)的合成場弱于原來的一次場, 即場源所產(chǎn)生的電磁能流一部分被屏蔽體反射, 另一部分則被引導著從屏蔽體的壁內(nèi)通過, 從而無法進入空間防護區(qū)域。

根據(jù)電磁學理論: 遠場(均勻平面波)和近場電場源的反射損耗是低頻時屏蔽的主要機理, 吸收損耗是高頻時屏蔽的主要機理[1]。電磁學理論中, 屏蔽效能定義為入射到屏蔽層的電(磁)場強度與穿透屏蔽層的電(磁)場強度的比值[2]。由于火工品的安全性主要表征為其回路電流[3-4], 與火工品所處位置的電場強度相關(guān), 且磁場強度通過傳播媒質(zhì)的本征阻抗與電場強度聯(lián)系。因此, 文中仿真試驗求解的電磁屏蔽效能不考慮磁場強度, 而定義為在一定輻射場下, 雷殼內(nèi)同一點有雷殼屏蔽和無雷殼屏蔽的場強之比。針對火工品的入射場強用較弱的場強來仿真, 等效評估雷殼的電磁屏蔽效能, 為火工品安全性評估提供依據(jù)。

1.2 屏蔽效能失效機制

根據(jù)電磁學理論, 屏蔽層須完全包裹電子電路, 沒有被電纜、孔或孔縫等穿透, 除非經(jīng)過正確處理, 否則屏蔽層上的任何開孔都會大大降低屏蔽效能。例如當一個封閉金屬盒有電纜穿透時, 若附近有一個諸如天線的輻射源輻射電磁場, 該電磁場就會耦合到導線上, 在導線中產(chǎn)生感應(yīng)電流, 該電流會流入外殼, 耦合進內(nèi)部電子電路。

而文中研究則關(guān)注另一種常見的穿透: 屏蔽層中的孔或孔縫, 屏蔽體內(nèi)部或外部的場都會通過這些孔縫進行輻射, 但通過封閉屏蔽體上的感應(yīng)電流, 及其相應(yīng)的場產(chǎn)生的散射場, 能夠減小或抵消入射場的影響[1]。假設(shè)平面波入射到良導體的表面上, 入射場感應(yīng)表面電流, 良好的屏蔽可以認為是感應(yīng)電流產(chǎn)生了反射場, 反射場的極性必須使其抵消入射場以滿足邊界條件, 即良導體總的電場切向分量必須為0[5]。為了使屏蔽體達到這種抵消的目的, 感應(yīng)電流必須無阻礙流動。若屏蔽體上存在孔縫, 假設(shè)孔縫與感應(yīng)電流的方向垂直, 那么孔縫就會打斷電流的流動, 減小屏蔽效能, 孔縫的寬度對此影響不大; 假設(shè)孔縫的方向平行于感應(yīng)電流的方向, 則對屏蔽效能影響不大。由于不容易判斷感應(yīng)電流的方向, 因此就不能正確設(shè)置孔縫的方向, 因此根據(jù)巴比涅原理, 孔縫可能成為與導體尺寸等于孔縫尺寸的天線一樣的有效輻射體。

文中仿真實驗考慮到雷殼連接結(jié)構(gòu)的復雜性, 通過針對性仿真檢查雷殼真實連接結(jié)構(gòu)的各種孔縫對雷殼電磁屏蔽效能的影響。

1.3 MOM算法

文中采用Altair FEKO軟件進行仿真建模和計算。該軟件內(nèi)置多種算法, 其中MOM算法是一種基于積分方程的數(shù)值方法[6], 其思想主要是將幾何目標剖分離散, 在其上定義合適的基函數(shù), 然后建立積分方程, 利用權(quán)函數(shù)檢驗產(chǎn)生一個矩陣方程, 求解該矩陣方程即可得到幾何目標上的電流、場或其他未知數(shù)向量分布, 從而其他近遠場信息可從該未知數(shù)向量分布求得。

假設(shè)描述物理系統(tǒng)的算子方程為

式中,為未知等效流或場;為已知激勵源。用MOM算法求解該算子方程的步驟如下:

式(3)可進一步寫為

該矩陣方程可簡化為

4) 由求得的等效流帶入積分方程求解任意點的場。

用MOM法求解電磁場問題的優(yōu)點是能夠嚴格計算各子散射體間的互耦, 保證計算誤差的系統(tǒng)總體最小而且不會產(chǎn)生數(shù)值色散問題。

2 仿真實例

2.1 仿真模型建立

以輕型魚雷為例, 魚雷殼體上分布有若干開孔, 除設(shè)定插座外, 每個開孔均有相應(yīng)堵塞裝置, 因此不考慮開孔影響。殼體各段之間采用楔環(huán)連接, 陰陽頭配合, 并有若干輔助零件, 為魚雷殼體上尺寸最大的孔縫, 是主要的電磁泄露途徑, 如圖1所示。輕型魚雷的楔環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 殼體連接模型圖

圖2 楔環(huán)結(jié)構(gòu)圖

2.2 外部激勵源設(shè)置

選擇設(shè)置均勻平面波作為外部輻射源。根據(jù)電磁學公式, 有

通過式(6)選擇合適的參數(shù), 可得仿真所需的半環(huán)形平面波如圖3所示。其特性為輻射場內(nèi)場強處處相同(方向和量值), 圖中藍色箭頭為傳播方向(入射方向), 相對于雷殼模型上縫隙為垂直入射方向; 綠色箭頭為電場方向。根據(jù)右手螺旋法則可得磁場方向[7]。設(shè)置入射波場強為1V/m。

圖3 平面波設(shè)置圖

2.3 頻率對仿真結(jié)果的影響

采用Altair FEKO軟件進行仿真, 網(wǎng)格剖分采用三角形網(wǎng)格。計算雷殼在不同頻段激勵源下, 雷內(nèi)某敏感點的電場強度。部分典型結(jié)果如圖4所示。其中橫坐標為平面上, 敏感點相對于零點的距離; 縱坐標為該點處的電場強度。

圖4 不同頻率屏蔽效能仿真結(jié)果對比

由圖可知, 該段殼體屏蔽效能在2.315 GHz處較惡劣。具體仿真結(jié)果見圖5。

由圖4還可看出, 入射波頻率離開2.315 GHz頻率點后, 無論頻率降低或升高, 其屏蔽效能都優(yōu)于2.315 GHz頻率點, 說明存在一些入射平面波的特殊頻率點, 會使電磁屏蔽效能變差。根據(jù)電磁學理論可知, 這是由于孔縫的共振效應(yīng)使得在諧振頻率點(或稱為共振頻率點)附近, 雷殼內(nèi)耦合場反射疊加, 場強變大, 屏蔽效能變差[8]。

2.4 縫隙數(shù)目對仿真結(jié)果的影響

仿真模型中主要有蓋板縫隙和合段縫隙2種尺寸較大的孔縫結(jié)構(gòu), 對去掉蓋板縫隙和去掉部分合段縫隙后進行仿真, 結(jié)果如圖6所示。其中橫坐標為平面上, 敏感點相對于零點的距離; 縱坐標為該點處的電場強度。

圖5 三維仿真結(jié)果圖(f =2.315 GHz)

圖6 不同縫隙數(shù)目屏蔽效能仿真結(jié)果對比(f=2.315 GHz)

從圖6中可以看到, 縫隙數(shù)目影響雷殼的屏蔽效能。根據(jù)電磁學理論, 當縫隙尺寸大于半波長時, 外部輻射電磁波可以毫無阻礙地進入到屏蔽體內(nèi), 合段縫隙和蓋板縫隙相較于電磁波長而言, 均為尺寸偏大的孔縫結(jié)構(gòu), 因此雷殼上的大尺寸縫隙越少, 屏蔽效能越好。

2.5 諧振頻率點對仿真結(jié)果的影響

對模型進行修改, 改變縫隙結(jié)構(gòu), 去掉楔環(huán)及殼體內(nèi)部分突出結(jié)構(gòu)件, 仿真計算后2.315 GHz頻率點的屏蔽效能得到改善。分析其原因是由于內(nèi)部腔體和孔縫尺寸改變[9-10], 使得諧振頻率點發(fā)生偏移, 結(jié)果見圖7。

圖7 不同結(jié)構(gòu)屏蔽效能仿真結(jié)果對比(f=2.315 GHz)

3 結(jié)束語

文中選擇MOM算法, 使用FEKO軟件對魚雷殼體合段結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽效能進行了仿真, 得到了合段縫隙對雷殼屏蔽效能的影響因素, 如果結(jié)構(gòu)開孔和波長相比較小, 結(jié)構(gòu)縫隙采用金屬板錯層搭接方式(沒有貫通的縫隙), 一般屏蔽效能較好, 但如果有線纜貫穿殼體, 會對屏蔽效能產(chǎn)生嚴重影響。因此, 針對魚雷殼體屏蔽效能仿真, 后續(xù)將對線纜貫穿殼體等對其的影響進行分析。

[1] Paul C R. 電磁兼容導論[M]. 聞映紅, 譯. 北京: 人民郵電出版社, 2007.

[2] 楊儒貴. 高等電磁理論[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007.

[3] 強濤, 周彬, 秦志春, 等. 橋絲式電火工品安全電流的預測[J]. 南京理工大學學報, 2006, 30(1):110-112.Qiang Tao, Zhou Bin, Qin Zhi-chun, et al. Prediction of No-firing Current of Bridgewire Electric Explosive Device[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2006, 30(1): 110-112.

[4] Kabik I, Rosenthal L A, Solem A D. The Response Of ElecTro Explosive Devices To Transient Electrical Pulse[C]// Proceeding of the 3th Electric Initiator Symposium. Phila, USA: the 3th Electric Initiator Symposium, 1960: 1-24.

[5] Weston D A. 電磁兼容原理與應(yīng)用[M]. 2版. 楊自佑, 王守三, 譯. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006.

[6] 哈林頓. 計算電磁場的矩量法[M]. 王爾杰, 譯. 北京:國防工業(yè)出版社, 1981.

[7] 丁君. 工程電磁場與電磁波[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007.

[8] 李凱. 帶孔縫矩形金屬腔體屏蔽效能研究[J]. 微波學報, 2013, 29(4): 48-52.Li Kai. Research of the Shielding Effectiveness of a Rectangular Metallic Enclosure with an Aperture[J]. Journal of Microwave, 2013, 29(4): 48-52.

[9] 黃年龍, 吳明贊, 李竹 . 基于有限元法的孔縫結(jié)構(gòu)矩形腔屏蔽效能數(shù)值仿真[J]. 電子器件, 2013, 36(5) : 634-638.Huang Nian-long, Wu Ming-zan, Li Zhu. Numerical Simulation of Shielding Effectiveness for Rectangular Cavity with Apertures Based on FEM[J]. Chinese Journal of Electron Devices, 2013, 36(5): 634-638.

[10] 汪柳平, 高攸綱. 有孔矩形腔的屏蔽效能及其對諧振抑制研究[J]. 電波科學學報, 2008, 23(3): 560-564, 571.Wang Liu-ping, Gao You-gang. Analysis of Shielding Effectiveness for Rectangular Cavity with Apertures and Resonance Suppression[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(3): 560-564, 571.

Shielding Effectiveness Simulation of Torpedo Shell Based on FEKO Software

WANG Kai-guo, ZHANG Jing, TUO Yong, WU Bin

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

The torpedo exposed on the ship deck is in a high-intensity electromagnetic radiation field, in this case the electromagnetic shielding effectiveness of the torpedo shell is very important for ensuring the safety of the pyrotechnics in the torpedo, it is necessary to ensure the pyrotechnics are not accidentally ignited. In this paper, a simulation model of torpedo shell is established by the method of moment(MOM) built in FEKO software, and the electromagnetic shielding effectiveness of torpedo shell is simulated numerically. The variation trend of shell shielding effectiveness with frequency and structure is analyzed. It is concluded that the shielding effectiveness is poor near the resonance frequency point; and the larger the number of apertures is, the worse the shielding effectiveness becomes. This research may provide the theoretical basis for testing and improving the shielding effectiveness of torpedo shell.

torpedo shell; electromagnetic shielding effectiveness; FEKO software; method of moment(MOM)

TJ630.1; TB71.2

A

2096-3920(2020)04-0467-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.018

2019-06-27;

2019-09-04.

王凱國(1980-), 男, 高級工程師, 主要研究方向為魚雷總體.

王凱國, 張靜, 拓勇, 等. 基于FEKO軟件的魚雷殼體屏蔽效能仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2020, 28(4): 467-470.

(責任編輯: 陳 曦)