基于雷击飞机的cae信息化软件分析与研究

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1、1引言　　　　雷电是一种常见的天气现象，一般当雷暴云中的正、负电荷区在其中部位置产生的电场强度大于一定阈值时会击穿空气形成双向先导，先导分别进入正、负电荷区并逐渐发展进入大气从而形成闪电，并伴随强大的雷电电磁脉冲。然而，随着现代航空技术的飞速发展，现代飞行器越来越多地使用先进的电子设备和系统，这会使飞行器对外部强电磁环境更加敏感，一旦遭到雷击损失重大。因此，飞机的雷电效应试验逐渐成为航空飞机以及机载设备研制过程中一项重要的测试内容和验证手段，但此项试验往往费用高昂，消耗大量人力物力，而利用FEKO电磁仿真软件对其进行雷电效应CAE仿真，可以在仿真过程中及时发现问题，并为雷电试验提供较好的参考和

2、指导。　　　　当前国内外对飞行器雷电防护的研究已有很多，欧美等国率先把防雷击设计作为飞机适航的附加条件并取得了一系列较为成熟的研究成果，我国也参照欧美等飞机雷电防护体系颁布了相应的适航条例。在仿真方面，利用CST电磁计算软件对雷击飞机进行仿真，给出了磁场在机内的分布情况。采用VAM-LIFE电磁场计算工具对某型运输机进行仿真，得到了机内线缆感应电流仿真结果。相关文献给出了雷击飞机附着点的仿真结果。本文主要利用FEKO电磁场计算软件对雷击飞机进行CAE仿真研究。　　　　2FEKO软件与建模仿真介绍　　　　2.1FEKO软件介绍　　　　FEKO是一款用于设计天线和分析电磁兼容问题的电磁场CAE信息

3、化软件，其核心算法是矩量法，通过求解积分方程给出结果，理论上可以精确求解任意复杂媒质的电磁问题。FEKO主要包含CADFEKO、EDITFEKO和POSTFEKO三个主要组成部分。CADFEKO主要用于图形或CAD环境下创建和设置FEKO模型，包括几何形状定义和网格剖分，以及电磁参数和求解配置，并且还可以导入各种格式复杂的CAD模型并对其进行网格剖分。EDITFEKO是FEKO软件的高级用法，利用其中的“卡片”可以实现定义几何模型和设置求解参数等功能。POSTFEKO一般用于后处理，可以将求解得到的所有电磁场信息以二维或三维的形式显示出来，便于分析和研究。　　　　需要指出的是，FEKOSuit

4、e6.2之前的版本处理雷电时域问题非常不便，因为求解的雷电问题频率范围较广，需要在该范围内进行非常多的频点计算，然后通过傅里叶逆变换（IFFT）转换为时域结果，但之前版本缺乏这个后期处理能力，只能通过另外编写程序等途径来解决，这需要做大量工作且花费很多时间。而FEKO6.2在POSTFEKO中加入了后期时域处理功能，这使得工作量大为简化。　　　　2.2建模仿真介绍　　　　建模包括几何建模和电磁建模两个方面，由于CADFEKO建模能力有限，对于大型复杂几何体，可以利用一些专业的CAD建模软件来完成，然后再通过CADFEKO将模型导入。电磁建模是对雷电激励源、飞机机身材料的电磁参数、机内设备的线缆

5、构造以及仿真频率和求解参数等进行定义。　　　　采用FEKO进行CAE仿真计算时，首先需要对模型进行网格剖分，然而对于大型复杂的几何模型来说，所剖分的面元网格越多，其仿真结果就越精确，但带来的后果是计算量加大，计算时间延长，对计算机的CPU和内存要求也更为苛刻。因此，仿真时需要对网格进行合理剖分，这样才能达到较为理想的效果。　　　　3飞机雷电间接效应仿真研究　　　　飞机雷电间接效应是指雷电流产生的强电磁场以及与飞机相互作用使机内产生强瞬态电磁环境，耦合到机内设备和线路当中形成高电压和大电流，导致设备功能紊乱甚至损坏，并对机内人员生命和财产安全造成严重威胁。　　　　3.1飞机雷电试验介绍　　　　在

6、飞行器的雷电试验中，一般采用低电平电流注入机身和下面铺设大接地导体板的方法，并利用专业的测试仪器对电缆中瞬态过电压进行测试。试验中为了能够模拟真实环境中飞机遭受雷击的情况，这就需要对雷电流注入点和飞机的导体回路路径进行设置。目前，虽然相关的工程经验和理论分析比较成熟，但这些仍然不够，还需要CAE仿真手段来对雷电试验的设计进行优化。　　　　3.2雷击飞机间接效应仿真方法　　　　本文主要对上述试验进行CAE仿真，文中所用飞机模型只是初步建立的曲面模型，机身为良导体，内部为自由空间，飞机座舱盖和天线罩为介质材料，雷击入口和出口如图1所示。　　 　　图1飞机在CADFEKO中的电磁模型矩量法是频域算法

7、，为了通过时域处理得到时域结果，CAE仿真需要对雷击飞机模型进行几百个频点的计算。而FEKO提供了包含单一频率、连续频率、线性空间离散点、对数空间离散点和一系列离散点等五种频率范围选项，并且其高级选项中包含了设置频率最大取样数和设置频率最小增量两种方式，这使得用户可以根据自己的实际需要来做出选择。本文选择连续频率范围一项，该项所有需要求解的结果都是在起始到结束频率范围内使用自适应抽样计算的。此对话