俗話說,雷擊總是不期而遇。
雖然這個表述在很多時候都用來隱喻突發(fā)奇想,然而對飛機(jī)制造商和航空監(jiān)管方來說,雷擊卻是真真正正的一大顧慮,特別是考慮到商業(yè)飛機(jī)每飛行1,000小時就很可能遭遇一次雷擊。有關(guān)如何掌握雷擊產(chǎn)生的影響,一些飛機(jī)制造商有自己非同尋常的想法。
座艙網(wǎng)格劃分模型
歐洲航空航天界的翹楚空中客車,近期使用Ansys EMA3D和MHARNESS,在采用金屬、碳纖維復(fù)合材料、銅箔的混合座艙設(shè)計中,仿真抗雷擊性能。這次仿真屬于專注于開發(fā)未來飛機(jī)的技術(shù)研究項目的組成部分,旨在開發(fā)出兼具高度環(huán)保、成本效益超群的航空運(yùn)輸系統(tǒng)。
具體而言,空中客車工程師希望驗證模型能以多精確的準(zhǔn)確性預(yù)測坐艙復(fù)雜電子裝置和布線系統(tǒng)在感應(yīng)瞬態(tài)影響下的整體電磁行為。這有助于他們了解仿真結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果的吻合度。
對物理測試的補(bǔ)充
一次雷擊可能產(chǎn)生數(shù)百萬伏特電壓,數(shù)十萬安培電流。當(dāng)這樣強(qiáng)大的能量注入到飛機(jī)里時,可能會對飛機(jī)造成嚴(yán)重破壞。雷擊可以點燃易燃?xì)怏w、熔化金屬部件、擊穿和分離復(fù)合材料部件,以及干擾安全與任務(wù)關(guān)鍵性系統(tǒng)(包括電氣設(shè)備和電子設(shè)備)的正常運(yùn)行。最惡劣情況下,雷擊還曾導(dǎo)致飛機(jī)墜機(jī),盡管這種情況極為罕見。上一起重大事故發(fā)生在數(shù)十年前。
為提升整體飛行安全,飛機(jī)制造商為每架飛機(jī)都設(shè)計了防雷裝置。
評估防雷裝置的有效性,通常重點在于對部件和組件(而非整架飛機(jī))進(jìn)行物理測試。這是因為只有極少數(shù)設(shè)施能對整架飛機(jī)開展真實的完整威脅測試,而且測試過程難度大,頗具破壞性及危險性。
此外,物理測試還會導(dǎo)致成本增加、開發(fā)周期延長。例如,對正在研發(fā)的飛機(jī)進(jìn)行全面的物理測試需要制造原型機(jī),這不僅需要花費(fèi)數(shù)月時間,而且成本高昂。如果飛機(jī)未能通過這項測試,重新設(shè)計和改裝的成本可能高達(dá)數(shù)百萬歐元。
在改造防雷系統(tǒng)后完整測試現(xiàn)有飛機(jī)也是可行的,然而這一過程有其局限性。飛機(jī)每測試一天,就延遲一天無法履行它的既定功能,即將乘客或貨物運(yùn)往目的地。這一情況也會導(dǎo)致高昂的成本。而且完整威脅測試已經(jīng)不止一次造成了足以讓一架飛機(jī)長時間停飛的損壞。
脫胎于座艙數(shù)字原型的電磁模型
仿真可以規(guī)避這些問題,但并不意味著可以完全取代物理測試。相反,它成為越來越重要的工具,在概念驗證階段就幫助推進(jìn)飛機(jī)開發(fā)。除了幫助實現(xiàn)魯棒性設(shè)計,仿真還支持驗證和認(rèn)證流程,以及飛機(jī)的可維護(hù)性和改造。
簡單、輕量化且易管理
二十多年來,空中客車一直使用Ansys EMA3D來了解雷電感應(yīng)電磁兼容性(EMC),并為EMC認(rèn)證提供支持。這個求解器既允許工程師為大型飛機(jī)建模,也能求解尺寸不足1毫米的導(dǎo)體引腳。
在這個案例中,空中客車將Ansys EMA3D仿真結(jié)果與在西班牙赫塔菲的空客測試設(shè)施中進(jìn)行的完整雷擊非直接效應(yīng)(LIE)和高強(qiáng)度輻射(HIRF)測試(包括低電平直接驅(qū)動、低電平掃掠電流和低電平掃掠場)得出的結(jié)果進(jìn)行對比。測試座艙裝備了真實的電氣裝置,包括用作虛擬設(shè)備的多個金屬盒以及內(nèi)有導(dǎo)體的多層編織結(jié)構(gòu)線束。
座艙表面電流分布
隨后,空中客車使用簡單、輕量化且易管理的電磁模型開展仿真。Ansys EMA3D時間步長加速技術(shù)增大了自由空間的介電常數(shù),加快長瞬態(tài)的收斂速度,從而在不顯著影響場值的情況下降低光速。實際上,EMA3D允許工程師選擇比Courant標(biāo)準(zhǔn)要求的實際光速高幾個數(shù)量級的時間步長。這對雷擊仿真幫助很大,因為工程師不僅關(guān)注峰值幅度,而且也關(guān)注響應(yīng)的能量構(gòu)成或需要求解慢速波形。
最終,這種加速技術(shù)減少了設(shè)計這項仿真所需的時步數(shù),將仿真時間縮短了90%,從而加快了整個仿真流程。
提高產(chǎn)品安全性
空中客車工程師發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果與仿真結(jié)果高度吻合。仿真結(jié)果實際上較為保守,因此不僅適用于佐證決策,而且也適用于滿足安全和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
在使用Ansys EMA3D后,工程師就無需為了驗證不同的測試方法而調(diào)整電磁模型。他們可以考慮所有相關(guān)組件,確保組件間的必要接觸,同時避免不必要的連接。
直接電流仿真(藍(lán)色)與實際測試(紅色)高度吻合
最終,將現(xiàn)場研究與仿真相結(jié)合,就可以覆蓋有可能影響飛機(jī)的所有主要的外部威脅。現(xiàn)場研究與仿真結(jié)果的高度吻合,不僅證明了仿真的有效性,而且也驗證了Ansys EMA3D強(qiáng)大的預(yù)測能力。從啟動設(shè)計流程到驗證、認(rèn)證乃至此后的持續(xù)維護(hù)保養(yǎng),飛機(jī)制造商現(xiàn)在能夠在產(chǎn)品生命周期的各個階段,更放心地運(yùn)用仿真功能來評估飛機(jī)上的感應(yīng)瞬態(tài)。
而對于乘機(jī)出行的大眾,這意味著在發(fā)生雷擊的時候,他們可以安心入座,因為飛機(jī)的每一個零件都考慮了防雷安全。
Ansys Advantage 雜志:探究更多卓越工程仿真
Ansys Advantage雜志由Ansys官方出品,是一本屢獲殊榮的出版刊物。其刊登關(guān)于客戶如何運(yùn)用工程仿真實現(xiàn)驅(qū)動的故事,了解各行業(yè)專家如何通過仿真提高產(chǎn)品開發(fā)效率,并降低成本創(chuàng)造更多附加值,面向工程師群體的豐富內(nèi)容展現(xiàn)了各規(guī)模類型企業(yè)在工程仿真領(lǐng)域的最佳實踐和創(chuàng)新成就。該雜志每期均有特定主題,以解決技術(shù)問題為核心,實時了解影響未來工程的行業(yè)發(fā)展趨勢。
審核編輯 :李倩
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原文標(biāo)題:電磁仿真 | 空客成功挑戰(zhàn)抗雷擊性能,仿真結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果高度吻合
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