电脉冲除冰系统电磁脉冲力仿真分析.pdf

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1、2016年3月第42卷第3期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMarch2016V01．42No．3http：f}bhxb．buaa。edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001·5965．2015．0351电脉冲除冰系统电磁脉冲力仿真分析袁起航，林贵平，李广超8，申晓斌，卜雪琴(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：为了获得更精确的电脉冲除冰(EIDI)系统中电磁力在飞机蒙皮上的分布

2、及其随时间变化的情况，针对系统的工作原理与工作过程进行了仿真研究。计算分析了EIDI系统电路中电流随时间变化的关系；通过麦克斯韦方程组的求解完成了EIDI系统电磁场的仿真；计算分析了电磁力随时间变化的规律，获得了蒙皮上的磁感应强度分布、涡电流密度分布和瞬态电磁力密度分布。考虑线圈工作时蒙皮对其电感的影响，建立了更接近真实电路的激励加载方法，得到了准确的电磁力变化趋势；考虑趋肤效应对蒙皮厚度方向上涡电流密度、电磁力密度分布的影响，用有限元分析方法使蒙皮上电磁力分布的计算更为全面合理。关键词：电脉冲除冰系统；麦克斯韦方程；趋肤效应；电磁力分布；有限

3、元分析中图分类号：V244．15文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)03-0632-07从早期的飞行活动开始，飞机积冰一直是威胁安全飞行的一种重要危险因素。大量实践证明⋯，机翼等关键部位少量的结冰，就会使飞机的升力急剧下降，阻力显著增大，由此引起飞机的操纵性和稳定性品质恶化，因此对机翼等部件进行防除冰十分重要¨3。电脉冲除冰(Electro—ImpulseDe．Icing，EIDI)系统作为一种电动-机械除冰系统，具有耗能低、质量小、易维护和可靠性高等优点，有很大的应用发展空间∞o。由于现代飞机对低能耗装置的要求，从减少能量使

4、用的角度，EIDI系统的优越性和发展前景是显而易见的‘4“。EIDI是一种电动-机械除冰方式，由线圈产生的电磁力作用于表面附有冰层的蒙皮上，使其产生振动，破坏冰层结构，达到去除冰层的目的。对EIDI系统的研究主要包括电磁场研究、结构动力学研究和除冰效果预测3步。电磁场研究主要解决“发生电路一线圈一蒙皮”除冰模型在电流激励下产生脉冲力的问题，包括对脉冲力造成影响的各种因素的研究等；结构动力学研究分析由脉冲力所产生的结构变形及振动特性；除冰效果预测根据结构变形及振动的动力学特性，建立一套预测除冰的评价准则。电磁场研究是EIDI系统研究中的重要组成部

5、分，是蒙皮结构动力学分析及除冰效果预测的基础。EIDI系统需要获得电磁脉冲力来进行性能分析，由线圈产生的脉冲力大小及其在蒙皮上的分布情况来确定各种电路参数、部件几何形状及结构因素等对脉冲力的影响规律。尤其是运行电路(电容器的电容、电容器的初始电压和线圈电流等)及线圈的静态参数(几何尺寸、电导率和匝数等)，它们是整个EIDI系统设计的核心要素。因此需要建立计算模型，对EIDI系统的电磁场进行仿真。国外对EIDI系统的研究源于20世纪80年代。美国国家航空航天局(NASA)的Lewis∞o运收稿日期：2015-05-29；录用日期：2015-09．

6、18；网络出版时间：2015-10-3016：43网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151030．1643．006．html基金项目：民用飞机电脉冲除冰系统技术研究项目(MJ·S一2012-06)；中央高校基本科研业务费专项资金(YWF一14一HKXY-008)}通讯作者：Tel．：010—82339235E—mail：liguangchao@buaa．edu．cn5l甩格式：袁起航．林贵平．李广趣．等．电脉冲除冰系统电磁脉冲力仿真分斩【J]．北京航空航天大学学报．2016．42(3)：63

7、2．638．YUANQH，ⅡNGP，LIGC。eta1．Simulationandanalysisoffelectromagneticimpulseforceofelectro—impulsede—icingsys—ternfJJ．JoumalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，420)：632—638(inChinese)．第3期袁起航，等：电脉冲除冰系统电磁脉冲力仿真分析633用汉克尔以及拉氏变换，采用有限差分方法解决电磁场磁矢位问题；HendersonHl建立了电磁场的

8、汉克尔空间传递模型；威奇塔州立大学的Bern—hart和Schrag¨1首次运用有限元的思想分析电磁场，建立了Bernhart．Schrag模型，通过