王凱國(guó), 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(guó), 張 靜, 拓 勇, 吳 斌

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(shí), 處于高強(qiáng)電磁輻射場(chǎng)中, 為保證雷內(nèi)火工品的安全性, 防止其不被意外點(diǎn)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(duì)魚雷殼體的電磁屏蔽效能進(jìn)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(shì), 得出在諧振頻率點(diǎn)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(cè)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(shí), 電流脈沖通過(guò)橋絲或橋帶產(chǎn)生熱量, 引爆爆炸序列。當(dāng)魚雷產(chǎn)品暴露于艦船甲板高強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境中時(shí), 射頻感應(yīng)電流可能會(huì)造成橋絲或橋帶發(fā)熱, 從而導(dǎo)致電起爆裝置的無(wú)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(duì)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(huì)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(guò)FEKO軟件對(duì)魚雷殼體的電磁屏蔽效能進(jìn)行仿真計(jì)算, 以對(duì)屏蔽薄弱環(huán)節(jié)及時(shí)采取改進(jìn)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(chǎng)(源所在場(chǎng))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(chǎng), 二次場(chǎng)與一次場(chǎng)相疊加, 使得防護(hù)區(qū)域內(nèi)的合成場(chǎng)弱于原來(lái)的一次場(chǎng), 即場(chǎng)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(dǎo)著從屏蔽體的壁內(nèi)通過(guò), 從而無(wú)法進(jìn)入空間防護(hù)區(qū)域。

根據(jù)電磁學(xué)理論: 遠(yuǎn)場(chǎng)(均勻平面波)和近場(chǎng)電場(chǎng)源的反射損耗是低頻時(shí)屏蔽的主要機(jī)理, 吸收損耗是高頻時(shí)屏蔽的主要機(jī)理[1]。電磁學(xué)理論中, 屏蔽效能定義為入射到屏蔽層的電(磁)場(chǎng)強(qiáng)度與穿透屏蔽層的電(磁)場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度相關(guān), 且磁場(chǎng)強(qiáng)度通過(guò)傳播媒質(zhì)的本征阻抗與電場(chǎng)強(qiáng)度聯(lián)系。因此, 文中仿真試驗(yàn)求解的電磁屏蔽效能不考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度, 而定義為在一定輻射場(chǎng)下, 雷殼內(nèi)同一點(diǎn)有雷殼屏蔽和無(wú)雷殼屏蔽的場(chǎng)強(qiáng)之比。針對(duì)火工品的入射場(chǎng)強(qiáng)用較弱的場(chǎng)強(qiáng)來(lái)仿真, 等效評(píng)估雷殼的電磁屏蔽效能, 為火工品安全性評(píng)估提供依據(jù)。

1.2 屏蔽效能失效機(jī)制

根據(jù)電磁學(xué)理論, 屏蔽層須完全包裹電子電路, 沒(méi)有被電纜、孔或孔縫等穿透, 除非經(jīng)過(guò)正確處理, 否則屏蔽層上的任何開孔都會(huì)大大降低屏蔽效能。例如當(dāng)一個(gè)封閉金屬盒有電纜穿透時(shí), 若附近有一個(gè)諸如天線的輻射源輻射電磁場(chǎng), 該電磁場(chǎng)就會(huì)耦合到導(dǎo)線上, 在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電流, 該電流會(huì)流入外殼, 耦合進(jìn)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(chǎng)都會(huì)通過(guò)這些孔縫進(jìn)行輻射, 但通過(guò)封閉屏蔽體上的感應(yīng)電流, 及其相應(yīng)的場(chǎng)產(chǎn)生的散射場(chǎng), 能夠減小或抵消入射場(chǎng)的影響[1]。假設(shè)平面波入射到良導(dǎo)體的表面上, 入射場(chǎng)感應(yīng)表面電流, 良好的屏蔽可以認(rèn)為是感應(yīng)電流產(chǎn)生了反射場(chǎng), 反射場(chǎng)的極性必須使其抵消入射場(chǎng)以滿足邊界條件, 即良導(dǎo)體總的電場(chǎng)切向分量必須為0[5]。為了使屏蔽體達(dá)到這種抵消的目的, 感應(yīng)電流必須無(wú)阻礙流動(dòng)。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(huì)打斷電流的流動(dòng), 減小屏蔽效能, 孔縫的寬度對(duì)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(duì)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)考慮到雷殼連接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 通過(guò)針對(duì)性仿真檢查雷殼真實(shí)連接結(jié)構(gòu)的各種孔縫對(duì)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(jìn)行仿真建模和計(jì)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(biāo)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(yàn)產(chǎn)生一個(gè)矩陣方程, 求解該矩陣方程即可得到幾何目標(biāo)上的電流、場(chǎng)或其他未知數(shù)向量分布, 從而其他近遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng);為已知激勵(lì)源。用MOM算法求解該算子方程的步驟如下:

式(3)可進(jìn)一步寫為

該矩陣方程可簡(jiǎn)化為

4) 由求得的等效流帶入積分方程求解任意點(diǎn)的場(chǎng)。

用MOM法求解電磁場(chǎng)問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)是能夠嚴(yán)格計(jì)算各子散射體間的互耦, 保證計(jì)算誤差的系統(tǒng)總體最小而且不會(huì)產(chǎn)生數(shù)值色散問(wèn)題。

2 仿真實(shí)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(gè)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(yáng)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(lì)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(xué)公式, 有

通過(guò)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(chǎng)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)處處相同(方向和量值), 圖中藍(lán)色箭頭為傳播方向(入射方向), 相對(duì)于雷殼模型上縫隙為垂直入射方向; 綠色箭頭為電場(chǎng)方向。根據(jù)右手螺旋法則可得磁場(chǎng)方向[7]。設(shè)置入射波場(chǎng)強(qiáng)為1V/m。

圖3 平面波設(shè)置圖

2.3 頻率對(duì)仿真結(jié)果的影響

采用Altair FEKO軟件進(jìn)行仿真, 網(wǎng)格剖分采用三角形網(wǎng)格。計(jì)算雷殼在不同頻段激勵(lì)源下, 雷內(nèi)某敏感點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度。部分典型結(jié)果如圖4所示。其中橫坐標(biāo)為平面上, 敏感點(diǎn)相對(duì)于零點(diǎn)的距離; 縱坐標(biāo)為該點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖4 不同頻率屏蔽效能仿真結(jié)果對(duì)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(diǎn)后, 無(wú)論頻率降低或升高, 其屏蔽效能都優(yōu)于2.315 GHz頻率點(diǎn), 說(shuō)明存在一些入射平面波的特殊頻率點(diǎn), 會(huì)使電磁屏蔽效能變差。根據(jù)電磁學(xué)理論可知, 這是由于孔縫的共振效應(yīng)使得在諧振頻率點(diǎn)(或稱為共振頻率點(diǎn))附近, 雷殼內(nèi)耦合場(chǎng)反射疊加, 場(chǎng)強(qiáng)變大, 屏蔽效能變差[8]。

2.4 縫隙數(shù)目對(duì)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(duì)去掉蓋板縫隙和去掉部分合段縫隙后進(jìn)行仿真, 結(jié)果如圖6所示。其中橫坐標(biāo)為平面上, 敏感點(diǎn)相對(duì)于零點(diǎn)的距離; 縱坐標(biāo)為該點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)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(duì)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(xué)理論, 當(dāng)縫隙尺寸大于半波長(zhǎng)時(shí), 外部輻射電磁波可以毫無(wú)阻礙地進(jìn)入到屏蔽體內(nèi), 合段縫隙和蓋板縫隙相較于電磁波長(zhǎng)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(diǎn)對(duì)仿真結(jié)果的影響

對(duì)模型進(jìn)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(jì)算后2.315 GHz頻率點(diǎn)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(diǎn)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(duì)比(f=2.315 GHz)

3 結(jié)束語(yǔ)

文中選擇MOM算法, 使用FEKO軟件對(duì)魚雷殼體合段結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽效能進(jìn)行了仿真, 得到了合段縫隙對(duì)雷殼屏蔽效能的影響因素, 如果結(jié)構(gòu)開孔和波長(zhǎng)相比較小, 結(jié)構(gòu)縫隙采用金屬板錯(cuò)層搭接方式(沒(méi)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(huì)對(duì)屏蔽效能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此, 針對(duì)魚雷殼體屏蔽效能仿真, 后續(xù)將對(duì)線纜貫穿殼體等對(duì)其的影響進(jìn)行分析。

[1] Paul C R. 電磁兼容導(dǎo)論[M]. 聞?dòng)臣t, 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(qiáng)濤, 周彬, 秦志春, 等. 橋絲式電火工品安全電流的預(yù)測(cè)[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 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(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[6] 哈林頓. 計(jì)算電磁場(chǎng)的矩量法[M]. 王爾杰, 譯. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1981.

[7] 丁君. 工程電磁場(chǎng)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(xué)報(bào), 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(duì)諧振抑制研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 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(guó)(1980-), 男, 高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)轸~雷總體.

王凱國(guó), 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(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(4): 467-470.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)