一种获取三维空间发动机周围电磁场分布的方法

1.本发明属于发动机电控系统电磁防护领域，涉及一种获取发动机周围电磁场分布的方法。
技术背景
2.近些年来，集成芯片微型化、智能化技术不断提升，电路集成化程度越来越高、功耗越来越低，都使得集成电路、电子设备易受到外部电磁脉冲的干扰。当航空发动机暴露在复杂电磁脉冲环境，尤其是雷电、微波武器等产生的强电磁脉冲环境下时，电磁脉冲源所产生的射频脉冲电流耦合进入电控系统内部，对系统内部组成造成不可逆转的损坏，严重威胁航空发动机电控系统的正常工作，影响发动机运行的稳定性和安全性。目前对于发动机数字控制系统抗干扰能力的加固研究主要集中在控制系统自身特性上，忽略了发动机周围场分布对于数字控制系统抗干扰加固的影响。发动机表面电磁场的分布对于发动机数字控制系统中线束、数字控制器、传感器和执行器等敏感器件的布局具有重要指导意义。因此建立一套有效的发动机周围电磁场分布的研究方法十分重要。


技术实现要素：

3.本发明是为了克服现有技术中的不足，提供一种获取三维空间发动机周围电磁场分布的方法，该方法利用数值仿真与试验验证相结合的方法，获取航空发动机周围磁场分布情况，为发动机数字控制系统的电磁脉冲防护设计提供参考依据。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.步骤1：利用传输线矩阵法建立大型线栅有界波模型；
6.步骤2：针对发动机原机，利用三维建模软件建立发动机的几何结构三维模型；
7.步骤3：将发动机三维模型导入cst电磁仿真软件中，对航空发动机周围的场分布规律进行仿真；
8.步骤4：对有界波模型激励和平面波激励的场特性进行对比，得到平面波激励下仿真结果的误差规律，并且得到有界波模拟器中的场分布规律，为强电磁脉冲辐照试验过程中被测试航空发动机放置的最佳位置提供参考；
9.步骤5：建立发动机几何实物等比例样机，利用大型有界波模拟器对发动机表面电场的分布仿真规律进行试验验证。
10.优选的，利用传输线矩阵法建立线栅有界波模型，所述传输线矩阵法指由johns和beurle在1971年提出的时域电磁计算方法。步骤包括：根据被研究的物理模型，通过对偶原理或相似性原理建立相应的传输线模型，将传输线模型的参数与物理原型之间的物理量形成对应关系，从而实现物理原型到传输线模型的建模转换。
11.优选的，步骤2包括根据所选发动机的设计图纸，得到发动机几何尺寸，利用soildworks软件建立等比例模型；所述发动机尺寸包括发动机的缸径尺寸、扫气道尺寸和位置、排气道尺寸和位置、活塞尺寸和位置、扫气口尺寸、排气口尺寸。
12.优选的，仿真条件设置“open”开放边界、仿真频带0-500mhz，仿真方法tlm。
13.优选的，cst电磁仿真软件中分别建立有界波模拟器激励emp仿真模型、平面波模拟器激励emp仿真模型。
14.优选的，为强电磁脉冲辐照试验过程中被测试航空发动机放置的最佳位置提供参考，其参考依据是仿真结果得到的发动机仿真平台横向表面电场分布曲线图、发动机仿真平台纵向表面电场分布曲线图和发动机仿真平台表面电流分布图。
15.优选的，等比例样机采用304不锈钢加工而成。
16.优选的，采用有界波模拟器进行强电磁脉冲辐照试验，有界波模拟器的尺寸为长44m、宽6m、高5m，终端采用电阻阵列集中负载。
17.优选的，使用了弱场外推的方法对发动机表面场分布仿真结果进行验证。
18.有益效果：本发明根据获得到的发动机周围电磁场分布为发动机抗强电磁脉冲加固提供参考依据，如根据电磁场分布结果优化发动机摆放位置。本发明通过数值仿真与试验验证结合的方法为发动机表面电磁场分布规律提供了新的研究方法，为发动机数字控制系统的电磁脉冲防护设计提供参考依据。
附图说明
19.图1为本发明的流程图。
20.图2为具体测试原理图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
22.本发明采用了数值模拟与试验验证结合的方法。具体工作原理如下所述：
23.步骤1中利用传输线矩阵法建立大型线栅有界波模型；具体的讲，传输线矩阵法是一种时域电磁计算方法，其基本原理是根据被研究的物理模型，通过对偶原理或相似性原理建立相应的传输线模型。将传输线模型的参数与物理原型之间的物理量形成对应关系，从而实现物理原型到传输线模型的建模转换。本实施例采用传输线矩阵法指由johns和beurle在1971年提出的时域电磁计算方法。具体实施过程为：(1)建立传输线模型，传输线模式来源于有耗介质状况下的maxwell波动方程，传输线模型建立一种将电磁能包含在集总单元中，进行路的计算的方式。(2)传输线激励源的建模，建立的等效源包含有内阻r，内部电感l。在作用的过程中，将等效源串联在传输线的端口上。(3)传输线模型上节点的迭代，电磁波在传输线上的迭代过程包含空间上的传播和时间上的迭代，在一个时间步中，通常电磁波只传输一个tlm单元，各个tlm单元之间的阻抗不相同，用以描述电磁波在tlm单元上的传输和时间上的迭代。电磁波的临近节点传播过程中时间上的迭代，实现一维传输线方程对于电磁场空间和时间上的求解。
24.步骤2中利用三维建模软件建立发动机几何结构的三维模型，应建立发动机原机等比例三维模型。具体步骤为根据所选发动机的设计图纸，得到发动机几何尺寸，利用soildworks软件建立等比例模型。
25.步骤3中将发动机几何三维模型导入cst电磁仿真软件中，采用cst电磁仿真软件中的传输线矩阵方法，对某型号航空发动机仿真平台周围场的分布规律进行数值仿真分
析。具体步骤为：首先根据步骤1的理论分析在cst软件中利用等效线建立了大型线栅有界波模拟器几何模型模拟器的总长度为44m，宽度为6m，高度为5m。大型有界波模拟器采用双锥度过渡段结构，主要包括：脉冲源、前锥形过渡段、平行段、后锥形过渡段和终端匹配负载。前锥形过渡段的长度为25m，首端与脉冲源相连接。平行段的长度为11m，后锥形过渡段的长度为8m，后锥形过渡段的终端与匹配负载相连接。大型有界波模拟器的终端负载阻值设置为135ω，由三个405ω的电阻并联组成。有界波模拟器上传输线的线栅是由26根金属导线组成，金属导线的直径设置为3mm，下传输线由金属板组成。其次设置仿真条件，采用了软件提供的“open(add space)”自由吸收边界，仿真区域中的背景材料设置为“air”，频率范围设置为0hz到600mhz，有界波模拟器的负载采用三个并联的“lumped element”，每个“lumped element”设置为405ω。电磁脉冲的场波形为典型的双指数脉冲波，采用软件自带的“discrete port”添加了电压幅值为300kv的电磁脉冲激励。
26.步骤4中对有界波模型激励和平面波激励的场特性进行对比，具体实现方式是在仿真过程中添加不同形式的激励源。有界波模拟器激励仿真的边界条件和设置与步骤3中相同。平面波激励仿真，采用标准的双指数脉冲波，电场强度的幅值为50kv/m，采用软件自动设置的开放边界条件，仿真的频带宽度为0hz～600mhz。平面波的入射方向与有界波模拟器激励仿真中的电磁脉冲入射方向相同。通过结果对比，平面波激励探针处的电场强度与有界波模拟器激励探针处的电场强度幅值非常一致，因此确立有界波模型激励作为研究方法。有界波模型激励仿真结果为强电磁脉冲辐照试验过程中被测试航空发动机放置的最佳位置提供参考，根据仿真结果得到的发动机仿真平台横向表面电场分布曲线图、发动机仿真平台纵向表面电场分布曲线图和发动机仿真平台表面电流分布图等对发动机及其电控系统放置位置进行调整。具体地讲，根据表面电场分布曲线图线束和传感器应当避开发动机表面电场强度较大的地方；根据表面电流分布图线束、传感器和控制器箱体的接地带应当避开表面电流较大的位置。
27.步骤5中建立发动机几何实物等比例样机，发动机实物模型表面具有良好的导电特性、防锈能力和较高的结构强度，材料选用304不锈钢。利用大型有界波模拟器对发动机表面电场的分布仿真规律进行试验验证，有界波模拟器的尺寸为长44m、宽6m、高5m，终端采用电阻阵列集中负载。试验方法具体来讲是采用大型有界波模拟器进行强电磁脉冲辐照试验，试验中使用弱场外推的方法对发动机表面场分布仿真结果进行验证，降低有界波模拟器周围场泄漏对于人员和设备的影响。具体测试原理如图2所示。
28.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种获取发动机周围电磁场分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立线栅有界波模型；步骤2：针对发动机原机，利用三维建模软件建立发动机的几何结构三维模型；步骤3：将发动机三维模型导入cst电磁仿真软件中，对航空发动机周围的场分布规律进行仿真；步骤4：对有界波模型激励和平面波激励的场特性进行对比，得到平面波激励下仿真结果的误差规律，并且得到有界波模拟器中的场分布规律，为强电磁脉冲辐照试验过程中被测试航空发动机放置的最佳位置提供参考；步骤5：建立发动机几何实物等比例样机，利用大型有界波模拟器对发动机表面电场的分布仿真规律进行试验验证。2.根据权利要求1所述的获取发动机周围电磁场分布的方法，其特征在于，利用传输线矩阵法建立线栅有界波模型，步骤包括：根据被研究的物理模型，通过对偶原理或相似性原理建立相应的传输线模型，将传输线模型的参数与物理原型之间的物理量形成对应关系，从而实现物理原型到传输线模型的建模转换。3.根据权利要求1所述的获取发动机周围电磁场分布的方法，其特征在于，步骤2包括根据所选发动机的设计图纸，得到发动机几何尺寸，利用soildworks软件建立等比例模型；所述发动机几何尺寸包括发动机的缸径尺寸、扫气道尺寸和位置、排气道尺寸和位置、活塞尺寸和位置、扫气口尺寸、排气口尺寸。4.根据权利要求1所述的获取发动机周围电磁场分布的方法，其特征在于，仿真条件设置“open”开放边界、仿真频带0-500mhz，仿真方法tlm。5.根据权利要求1所述的获取发动机周围电磁场分布的方法，其特征在于，cst电磁仿真软件中分别建立有界波模拟器激励emp仿真模型、平面波模拟器激励emp仿真模型。6.根据权利要求1所述的获取发动机周围电磁场分布的方法，其特征在于，步骤4中对有界波模型激励和平面波激励的场特性进行对比，具体实现方式是在仿真过程中添加不同形式的激励源。7.根据权利要求1所述的获取发动机周围电磁场分布的方法，其特征在于，为强电磁脉冲辐照试验过程中被测试航空发动机放置的最佳位置提供参考，其参考依据是仿真结果得到的发动机仿真平台横向表面电场分布曲线图、发动机仿真平台纵向表面电场分布曲线图和发动机仿真平台表面电流分布图。8.根据权利要求1所述的获取发动机周围电磁场分布的方法，其特征在于，等比例样机采用304不锈钢加工而成。9.根据权利要求1所述的获取发动机周围电磁场分布的方法，其特征在于，采用有界波模拟器进行强电磁脉冲辐照试验，有界波模拟器的尺寸为长44m、宽6m、高5m，终端采用电阻阵列集中负载。10.根据权利要求1所述的获取发动机周围电磁场分布的方法，其特征在于，使用弱场外推的方法对发动机表面场分布仿真结果进行验证。

技术总结
本发明公开了一种获取发动机周围电磁场分布的方法，属于发动机电磁防护领域。该方法包括几何建模、数值模拟与试验验证。利用传输线矩阵法建立大型线栅有界波模型，利用三维建模软件建立发动机几何结构三维模型，利用CST电磁仿真软件对发动机三维模型周围的场分布规律进行仿真，对比有界波模型激励和平面波激励的场特性，得到有界波模拟器中的场分布规律，为强电磁脉冲辐照试验过程中被测试航空发动机放置的最佳位置提供参考，最后，利用大型有界波模拟器对发动机表面电场的分布仿真规律进行试验验证。本发明通过数值仿真与试验验证结合的方法为发动机表面电磁场分布规律提供了新的研究方法，为发动机数字控制系统的电磁脉冲防护设计提供参考依据。磁脉冲防护设计提供参考依据。磁脉冲防护设计提供参考依据。


技术研发人员：魏民祥 徐志欣 周东 曹杰 陈凯 王紫焱
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/8/14