馬喜來 孫 梨 馬慧明 田 楊 楊開宇

(1.一汽解放汽車有限公司 商用車開發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130011；2.吉林大學(xué) 測(cè)試科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 前言

在汽車整車行駛環(huán)境中，要求整車和零部件能夠不受電磁干擾，維持正常工作。同時(shí)，汽車自身運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)也不能對(duì)周圍環(huán)境造成電磁干擾，被視為“電磁兼容”。汽車電磁兼容是指能夠使汽車自身及周圍電子設(shè)備維持正常、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，且不會(huì)出現(xiàn)失靈或失效的性能[1]。由于越來越多的電子設(shè)備被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，汽車自身所處的電磁環(huán)境也變得更為復(fù)雜。為了提高汽車的電磁兼容性能，確保汽車在使用過程中能夠安全、可靠地運(yùn)行，且不會(huì)對(duì)周圍其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，對(duì)汽車進(jìn)行整車級(jí)電磁仿真預(yù)測(cè)分析已經(jīng)成為汽車行業(yè)的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)[2]。

在整車開發(fā)過程中，解決電磁兼容問題所花費(fèi)的成本會(huì)隨著研發(fā)階段的推進(jìn)呈指數(shù)級(jí)增加。因此，在新車型的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)全面考慮電磁兼容問題。同時(shí)，在開發(fā)新車型時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)各個(gè)部件在電磁兼容性測(cè)試時(shí)指標(biāo)功能均正常，但集成到整車時(shí)卻無法通過測(cè)試的情況。為了解決該問題，通常采取的方案是多次整改，重復(fù)整個(gè)測(cè)試過程，導(dǎo)致開發(fā)成本大幅增加[3-4]。為了減少整車電磁兼容問題造成的影響，降低研發(fā)成本，縮短新車型的開發(fā)周期，有必要對(duì)整車級(jí)電磁兼容仿真技術(shù)進(jìn)行研究。

1 汽車電磁環(huán)境中的主要干擾源

汽車在行駛過程中，電子設(shè)備容易受到車內(nèi)外各種電磁信號(hào)的干擾[5]。通常汽車電磁干擾源可以分為以下3類。

(1)車載干擾源。主要是指汽車上裝載的各類電子設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成影響。汽車內(nèi)部的電磁干擾源主要包括汽車的儀表系統(tǒng)、傳輸線纜及點(diǎn)火系統(tǒng)等。在一般情況下，車載干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)頻率范圍通常在105～109Hz之間。車載干擾源會(huì)對(duì)車內(nèi)及車體周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生一定程度的干擾。

(2)自然干擾源。主要是指車輛在行駛過程中受到的各種電磁環(huán)境噪聲。其中，閃電和靜電對(duì)電磁信號(hào)的影響較大。閃電的放電過程較為復(fù)雜，能夠在1μs內(nèi)產(chǎn)生超過10 k A 的電壓。相對(duì)而言，靜電對(duì)電磁信號(hào)的影響較弱，但也會(huì)對(duì)汽車電子設(shè)備產(chǎn)生一定的影響，并且呈多發(fā)狀態(tài)。關(guān)于靜電干擾，其在1～2 ns內(nèi)產(chǎn)生的電流可以達(dá)到10 A，甚至更高。自然干擾源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，在一定程度上導(dǎo)致汽車電子設(shè)備的工作異常，甚至失靈。

(3)人為干擾源。主要是指存在于汽車外部，用于廣播、電視、手機(jī)、導(dǎo)航等通信需求的各類人工裝置產(chǎn)生的電磁干擾。有文獻(xiàn)指出，在惡劣環(huán)境中，人工裝置電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)(100±50)V/m[6]。

2 建立整車電磁兼容仿真模型

2.1 建立原則

現(xiàn)有的汽車電磁兼容仿真分析往往會(huì)忽略汽車車體對(duì)電磁兼容仿真結(jié)果的影響，而僅針對(duì)汽車零部件和子系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)射類的仿真分析。但在實(shí)際情況中，汽車金屬外殼對(duì)整車的電磁兼容性能所產(chǎn)生的影響不可忽略。因此，建立準(zhǔn)確的整車級(jí)電磁兼容仿真模型是開展電磁兼容仿真分析的重要基礎(chǔ)。

目前，在整車的研發(fā)階段，所采用的模型大多是基于計(jì)算機(jī)圖形輔助三維交互應(yīng)用(CATIA)軟件設(shè)計(jì)的?？紤]到電磁兼容仿真的計(jì)算效率，需要對(duì)整車的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在確保電磁兼容仿真精度的同時(shí)提高仿真效率。電磁兼容仿真分析實(shí)際上是將復(fù)雜、抽象的電磁兼容問題簡(jiǎn)化為具體的模型分析問題[7]。在CATIA 環(huán)境下對(duì)整車幾何模型進(jìn)行初步簡(jiǎn)化時(shí)，通常需要遵循以下幾項(xiàng)原則。

(1)忽略整車結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)，可以在CATIA 軟件中刪除整車模型內(nèi)的焊點(diǎn)、螺栓等特征，并在后續(xù)處理中采用平滑過渡的方法，減少網(wǎng)格數(shù)量。

(2)僅保留整車模型中材質(zhì)為金屬的部分，如車身、底盤、座椅金屬框架等，忽略汽車內(nèi)部車殼、方向盤、大燈外殼及保險(xiǎn)杠等非金屬結(jié)構(gòu)。

(3)對(duì)某些關(guān)鍵零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等，應(yīng)忽略其內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，而重點(diǎn)關(guān)注金屬外殼對(duì)其產(chǎn)生的影響。

基于以上原則，對(duì)整車級(jí)CATIA 模型進(jìn)行了初步幾何清理，并對(duì)整車模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。隨后，將該模型導(dǎo)入電磁仿真軟件中，并設(shè)置環(huán)境參數(shù)，形成精準(zhǔn)、高效的整車電磁仿真模型。

2.2 仿真模型建立過程

對(duì)原始的CATIA 幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除不必要的細(xì)小結(jié)構(gòu)。經(jīng)過細(xì)小結(jié)構(gòu)清理簡(jiǎn)化后的模型會(huì)存在多余的節(jié)點(diǎn)、公共邊、小尺寸的孔洞及倒角等結(jié)構(gòu)特征。使用電磁仿真軟件對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)，上述結(jié)構(gòu)特征將會(huì)產(chǎn)生大量網(wǎng)格，大幅提高了電磁仿真軟件的計(jì)算成本，因此需要對(duì)這些結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行幾何清理，提高計(jì)算效率。

2.2.1 抽取中面

由于實(shí)際的整車模型均為三維的殼體模型，存在一定的厚度，若直接對(duì)三維殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁兼容仿真，會(huì)產(chǎn)生大量網(wǎng)格單元，且會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格單元形狀不均勻的情況，嚴(yán)重影響電磁兼容仿真的計(jì)算效率。同時(shí)，高頻電磁信號(hào)作用在汽車金屬外殼時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)出現(xiàn)“趨膚效應(yīng)”。趨膚效應(yīng)是指在微波頻率干擾下，導(dǎo)體電流將不會(huì)平均分布于整個(gè)導(dǎo)體內(nèi)部，而是在導(dǎo)體表面附近的電流密度較大，在導(dǎo)體中心部分的電流密度則最小的現(xiàn)象。因此，在對(duì)整車進(jìn)行電磁兼容仿真時(shí)，需要忽略汽車外殼的厚度，抽取中面將三維殼體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為二維平面，再對(duì)抽取中面進(jìn)行處理。對(duì)于不同的類型的中面，需要采用不同的方法進(jìn)行抽取，以提高抽取中面的質(zhì)量。圖1為部分結(jié)構(gòu)的CATIA模型和抽取中面前后的模型對(duì)比。

圖1 抽取中面前后的模型對(duì)比

2.2.2 填補(bǔ)孔洞和縫隙

在整車模型中，通常存在大量細(xì)小孔洞和縫隙。通過填補(bǔ)孔洞和縫隙，可以減少整車電磁兼容模型中的不必要網(wǎng)格，提高計(jì)算效率。圖2為填補(bǔ)孔洞和縫隙前后的模型對(duì)比。

圖2 填補(bǔ)孔洞和縫隙前后的模型對(duì)比

此外，在填補(bǔ)模型孔洞及縫隙后，需要應(yīng)用Hypermesh軟件清理并填補(bǔ)多余的節(jié)點(diǎn)和公共邊。圖3為清理多余節(jié)點(diǎn)和公共邊前后的模型對(duì)比。在完成清理工作后，能夠大幅減少網(wǎng)格數(shù)量，有效簡(jiǎn)化仿真模型。

圖3 清理多余節(jié)點(diǎn)和公共邊前后的模型對(duì)比

2.2.3 清理倒角

在整車外殼模型中，通常采用倒角來連接不同平面。如果保留倒角，直接對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，將產(chǎn)生大量不規(guī)則的網(wǎng)格，嚴(yán)重影響電磁兼容仿真的計(jì)算效率。因此，在建立汽車電磁兼容仿真模型時(shí)，需要去除倒角，減少模型的網(wǎng)格數(shù)量。圖4為清理倒角前后的模型對(duì)比。

圖4 清理倒角前后的模型對(duì)比

在清理倒角后，獲得的網(wǎng)格數(shù)量較少，且網(wǎng)格劃分形狀也更加規(guī)則，如圖5所示。

圖5 清理倒角前后的網(wǎng)格劃分對(duì)比

2.2.4 補(bǔ)面

在整車模型中還存在一些形狀不規(guī)則的曲面。在確保不影響電磁兼容仿真計(jì)算結(jié)果的前提下，可將其刪除，并補(bǔ)充為平滑曲面，該方法能夠有效減少不必要的網(wǎng)格數(shù)量。圖6為對(duì)不規(guī)則曲面進(jìn)行補(bǔ)面前后的模型對(duì)比。

圖6 對(duì)不規(guī)則曲面進(jìn)行補(bǔ)面前后的模型對(duì)比

經(jīng)過上述抽取中面、填補(bǔ)孔洞及縫隙、清理倒角及補(bǔ)面處理后，最終得到的整車級(jí)電磁兼容仿真模型如圖7所示。

圖7 整車級(jí)電磁兼容仿真模型

相較于原始模型，經(jīng)過上述建模優(yōu)化流程獲得的電磁兼容仿真模型的網(wǎng)格數(shù)量由數(shù)千萬(wàn)個(gè)降低至數(shù)萬(wàn)個(gè)，大幅提高了整車級(jí)電磁兼容仿真的計(jì)算效率。該模型可用于整車輻射發(fā)射、輻射抗擾等計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)電磁兼容仿真。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)整車級(jí)電磁兼容仿真問題，提出了基于電磁兼容仿真模型的建模優(yōu)化流程。同時(shí)，在Hypermesh軟件中對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)模型開展幾何清理工作，并結(jié)合實(shí)例對(duì)幾何清理的效果進(jìn)行了展示。制定了一套整車級(jí)電磁兼容仿真模型的建模流程，為實(shí)現(xiàn)整車級(jí)電磁兼容仿真預(yù)測(cè)提供了良好的基礎(chǔ)。該建模流程簡(jiǎn)單快捷，具有可重復(fù)性，對(duì)減少汽車車型的開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期具有參考價(jià)值。