一种基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法

文档序号:10489144阅读:473来源:国知局
一种基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法,属于车辆接地点选择方法。使用CST MS电磁仿真软件,通过设置极化角度、入射角度和入射方向,建立车辆电磁仿真模型;使用CST MS软件对车辆地电流分布进行仿真计算;改变仿真条件,逐一仿真各个条件下的车辆地电流分布;确定车辆地电流的分布规律,并基于该规律,指导车辆接地点位置的选择。该发明优点是通过模拟真实高空核爆电磁脉冲对车辆的攻击,得到频率与地电流分布条纹数目之间的关系,从地电流分布的角度科学指导车辆接地,从而减小地电流对车内电子设备的电磁干扰,使得电子设备能够正常工作。
【专利说明】
一种基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法,针对强电磁脉冲环 境中车辆表面地电流的分布规律进行了统计分析,并据此指导车辆接地点的选择,解决了 电磁脉冲防护领域的接地问题。
【背景技术】
[0002] -般情况下,车内设备以车辆表面壳体作为"大地"。在强电磁脉冲环境中,如高空 核爆电磁脉冲(High Altitude Electromagnetic Pulse,HEMP),车辆壳体表面以及车内电 子设备表面上通常会耦合出电流,车壳表面的电流即为地电流。地电流的存在会产生电磁 场,相应干扰电压也会在线路中形成,最终在各个设备之间形成传导电磁干扰,影响车内电 子设备的正常使用。屏蔽、接地等电磁脉冲防护技术是解决此类问题的重要途径,其中关于 接地技术,目前大多数采用"就近原则",将车内众多设备的接地线缆共同连接在车体的接 地螺栓上,这种接地位置的选择方式虽然使得接地线路变短,但是并未考虑到理论上的可 行性,如地电流分布会对车内电子设备带来电磁干扰,影响电子设备的正常使用。本文从地 电流分布的角度,科学指导车体接地位置的选择,以达到减小车内设备受到电磁脉冲干扰 的目的。
[0003] Xiang-Hua Wang等人使用改进的Leapfrog ADI-FDTD算法得到有意电磁脉冲IEMP 激励下飞机表面的电流分布,Concettina BuccelIa使用电路方法计算出,在诸如有非线性 地阻抗的金属结构油箱上,由雷电冲击感应出的瞬变电流分布。潘启军和马伟明等人对于 舰船、钢板地电流的测量技术有比较深入且细致的分析。
[0004] CST MS电磁仿真软件是由德国著名的电磁场仿真软件公司CST出品的全波时域频 域电磁场仿真软件。它是一款专门面向三维电磁场设计者的精确有效的电磁仿真软件。利 用该电磁仿真软件,可依据实际需要建立相应的电磁仿真模型,计算得到该物体在激励源 辐照下的线缆电压、电流,空间电场、磁场以及物体表面电流的分布等响应。

【发明内容】

[0005] 本发明提供一种基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法,通过研究在高空核 爆电磁脉冲辐照环境中,车辆表面地电流的分布规律,以解决电磁脉冲防护领域中接地点 选取的问题。
[0006] 本发明采取的技术方案是:包括下列步骤:
[0007] 一、分析两厢车的实际结构,使用CST MS软件建立车辆电磁模型,极化角度和入射 角度均设置为0度,入射方向设置为X轴正方向;
[0008] 二、使用电磁软件CST MS,仿真计算HEMP辐照环境中车辆表面地电流的分布,获得 该仿真条件下车辆表面电流的分布响应;
[0009] 三、分别改变极化角度、入射角度和入射方向,逐一仿真各个条件下的车辆地电流 分布结果,得到电流分布仿真图;
[0010] 四、分析监测频率与车辆地电流分布之间的关系,确定车辆地电流的分布规律;
[0011] 五、基于所得的车辆地电流的分布规律,依据电流波动条纹选取车辆接地点的位 置。
[0012] 本发明所述步骤一中的使用CST MS软件建立车辆电磁模型,要依据实际的车辆结 构,包括外壳、发动机系统的材质、尺寸参数,遵循以直线代替弧线,以平面代替凸起的等效 简化原则,建立车辆电磁模型。
[0013] 本发明所述的步骤三中逐一仿真各个条件下的车辆地电流分布结果,是指三种类 型的仿真条件,仿真条件一:入射角度为〇度,入射方向为X轴正方向时,极化方向分别为30 度、45度、60度和90度;仿真条件二:极化角度为0度,入射方向为X轴正方向时,入射角度分 别为30度、45度和60度;仿真条件三:极化角度和入射角度均为0度,入射方向分别为Y轴正 方向、Z轴负方向。
[0014] 本发明所述的步骤四中监测频率与车辆地电流分布之间的关系,是指车体表面出 2Lf 现的电流波动条纹的数目与频率满足公式《 = -^,式中η为电流条纹数目,L为车身某一平 c 面的最长尺寸,f为频率,C表示光速。
[0015] 本发明所述的步骤五中依据电流波动条纹选取车辆接地点的位置,是指当频率高 到足以出现电流条纹时,若电流条纹数目η为偶数,将接地点设置在机盖平面或顶棚平面的 第(f)和第(¥)条电流条纹之间的中心位置;若η为奇数,则将接地点设置在机盖平面 .2 2 或顶棚平面的第(¥)条电流条纹的中心位置处。 2
[0016] 本发明具有如下有益效果:
[0017] 1本发明通过仿真计算不同的极化角度、入射角度和入射方向,模拟真实高空核爆 电磁脉冲对车辆的攻击,获得车辆地电流在强电磁脉冲福射环境中的分布规律,为进一步 研究强电磁脉冲效应奠定了基础;
[0018] 2本发明获得监测频率与电流条纹数目之间的关系,并将条纹数目应用于对车辆 接地点的选取,从地电流分布角度科学地指导车辆接地点位置,比传统的接地位置选择更 具理论完备性,并能减小地电流对车辆内部电子设备的电磁耦合作用,使得电子设备能够 正常工作,免受强电磁脉冲的干扰。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明的流程图;
[0020] 图2是激励源高空核爆电磁脉冲HEMP的电场强度时域波形图;
[0021 ]图3是本发明仿真模型的坐标示意图;
[0022]图4是本发明极化角度和入射角度均为0度,入射方向为X轴正方向,监测频率为 36MHz的地电流分布仿真结果图;
[0023]图5是本发明极化角度和入射角度均为0度,入射方向为X轴正方向,监测频率为 180MHz的地电流分布仿真结果图;
[0024]图6是本发明极化角度和入射角度均为0度,入射方向为X轴正方向,监测频率为 540MHz的地电流分布仿真结果图;
[0025]图7是本发明极化角度为30度,入射角度为0度,入射方向为X轴正方向,监测频率 为36MHz的地电流分布仿真结果图;
[0026]图8是本发明极化角度为45度,入射角度为0度,入射方向为X轴正方向,监测频率 为36MHz的地电流分布仿真结果图;
[0027]图9是本发明极化角度为60度,入射角度为0度,入射方向为X轴正方向,监测频率 为36MHz的地电流分布仿真结果图;
[0028]图10是本发明极化角度为90度,入射角度为0度,入射方向为X轴正方向,监测频率 为36MHz的地电流分布仿真结果图;
[0029]图11是本发明入射角度为30度,极化角度为0度,入射方向为X轴正方向,监测频率 为540MHz的地电流分布仿真结果图;
[0030] 图12是本发明入射角度为45度,极化角度为0度,入射方向为X轴正方向,监测频率 为540MHz的地电流分布仿真结果图;
[0031] 图13是本发明入射角度为60度,极化角度为0度,入射方向为X轴正方向,监测频率 为540MHz的地电流分布仿真结果图;
[0032]图14是本发明极化角度和入射角度均为0度,入射方向为Y轴正方向,监测频率为 540MHz的地电流分布仿真结果图;
[0033] 图15是本发明极化角度和入射角度均为0度,入射方向为Z轴负方向,监测频率为 540MHz的地电流分布仿真结果图;
[0034] 图16是本发明接地点在车身平面的仿真模型;
[0035] 图17是本发明接地点在所建议的机盖平面条纹中间位置的接地模型;
[0036] 图18是本发明接地点在所建议的顶棚平面条纹中间位置的接地模型;
[0037] 图19是本发明接地点在车身侧面的接地模型;
[0038]图20是本发明车身某一平面的最长尺寸L的示意图。
【具体实施方式】 [0039] 包括下列步骤:
[0040] -、分析两厢车的实际结构,使用CST MS软件建立车辆电磁模型,极化角度和入射 角度均设置为0度,入射方向设置为X轴正方向;
[0041] 二、使用电磁软件CST MS,仿真计算HEMP辐照环境中车辆表面地电流的分布,获得 该仿真条件下车辆表面电流的分布响应;
[0042]三、分别改变极化角度、入射角度和入射方向,逐一仿真各个条件下的车辆地电流 分布结果,得到电流分布仿真图;
[0043] 四、分析监测频率与车辆地电流分布之间的关系,确定车辆地电流的分布规律;
[0044] 五、基于所得的车辆地电流的分布规律,依据电流波动条纹选取车辆接地点的位 置。
[0045] 本发明所述步骤一中的使用CST MS软件建立车辆电磁模型,要依据实际的车辆结 构,包括外壳、发动机系统的材质、尺寸参数,遵循以直线代替弧线,以平面代替凸起的等效 简化原则,建立车辆电磁模型。
[0046] 本发明所述的步骤三中逐一仿真各个条件下的车辆地电流分布结果,是指三种类 型的仿真条件,仿真条件一:入射角度为〇度,入射方向为X轴正方向时,极化方向分别为30 度、45度、60度和90度;仿真条件二:极化角度为0度,入射方向为X轴正方向时,入射角度分 别为30度、45度和60度;仿真条件三:极化角度和入射角度均为0度,入射方向分别为Y轴正 方向、Z轴负方向。
[0047] 本发明所述的步骤四中监测频率与车辆地电流分布之间的关系,是指车体表面出 JLf 现的电流波动条纹的数目与频率满足公式《 = ,式中η为电流条纹数目,L为车身某一平 C 面的最长尺寸,f为频率,C表示光速。
[0048]本发明所述的步骤五中依据电流波动条纹选取车辆接地点的位置,是指当频率高 到足以出现电流条纹时,若电流条纹数目η为偶数,将接地点设置在机盖平面或顶棚平面的 第(和第()条电流条纹之间的中心位置;若η为奇数,则将接地点设置在机盖平面 二. 1, "4-1 或顶棚平面的第(Y)条电流条纹的中心位置处。 2
[0049] 下面将结合附图,对本发明中基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法进行完 整的描述。在本发明中使用CST MS电磁仿真软件,依据实际车辆结构,包括外壳、发动机这 些重要系统的尺寸、材质参数,遵循以直线代替弧线,以平面代替凸起,忽略玻璃、塑料结构 的等效简化原则,建立车辆几何模型。车辆的外壳以及发动机均设置为材质为金属铝的矩 形腔体,电导率为3.54 X 107S/m,腔体厚度为5mm。
[0050] 设置激励源高空核爆电磁脉冲HEMP的波形参数,HEMP是以双指数脉冲的形式作为 电场强度表达式,BPE(t)=kP(e- at -e-et),式中,kP = 6.5X IO4Vz^a = AXlO7S-1J = BX IO8S^1,1^表示脉冲峰值,a表示脉冲前沿参数,β表示脉冲后沿参数,t表示时间,电场强度时 域波形图如图2所示。
[0051] 设置监测频率。根据电磁波的传播理论可知A = c/f,其中c为光速,f为频率,λ是波 长。依据天线理论,半波长对于电流分布来说,是个重要的因素。由于电尺寸=物体尺寸/波 长,根据车体重要结构的尺寸,计算电尺寸为半个波长时对应的频率,作为仿真监测频率的 参考值。监测频率应能尽量包含最小谐振频率的公共倍数。经过数值计算与统计,最终确立 仿真监测频率。
[0052]本发明中涉及到的入射方向问题均由如图3所示的仿真坐标示意图为依据。在CST MS软件中设置极化角度为0度,入射角度为0度,入射方向为X轴正方向,最终生成电磁模型。 采用电磁仿真软件CST MS对车辆的地电流分布进行仿真计算,得到该仿真条件下的响应。 然后分别改变极化角度、入射角度、入射方向,逐一仿真三种条件下的车辆地电流分布结 果。仿真条件一:入射角度为〇度,入射方向为X轴正方向时,极化方向分别为30度、45度、60 度和90度;仿真条件二:极化角度为0度,入射方向为X轴正方向时,入射角度分别为30度、45 度和60度;仿真条件三:极化角度和入射角度均为0度,入射方向分别为Y轴正方向、Z轴负方 向。
[0053]由天线理论可知,在细直天线上的近似自然电流分布呈现出正弦律,即会出现电 流为〇的情况。延伸至平面上,当物体的电尺寸为半波长的整数倍时,其对应的频率上会出 现类似的规律,如波动条纹的产生。分析仿真电流分布图可发现,随着监测频率的增大,车 体表面上会出现电流波动条纹,在条纹中电流值的大小逐渐变化,有规律地排布,如同波动 的水纹,且条纹的数目与频率有关。条纹的走向与激励源的传播方向垂直。统计分析仿真结 果中车体表面电流波动条纹数目与频率的关系,如图4-6,得到电流条纹数目与物理尺寸、 频率的关系: ILf
[0054] 7?=-- G
[0055]式中,η为电流条纹数目,L为车身某一平面的最长尺寸,f为频率,c表示光速。
[0056] 在不同极化角度的仿真条件下,电流集中分布在窗框、车身边缘、棱角处,在尺寸 较大的平面上电流分布较为均匀,且电流值很小。此时,随着极化角度的改变,电流波动条 纹的数目没有随之改变,只是电流值略有不同。
[0057] 在不同入射角度的仿真条件下,靠近激励源的位置电流较大,远离激励源的位置 电流较小。随着入射角度的增加,条纹的倾斜角度相应增加。这是由于激励源具有一定的入 射角度时,在沿X轴与沿Y轴的方向上均有激励源的分量,这两个方向分量的综合作用造成 了电流分布具有一定倾斜角度的现象,如图11-13所示。
[0058] 在不同的入射方向的仿真条件下,电流的条纹走向以及电流分布的对称性随之发 生改变。分析仿真结果发现,当入射方向为沿X轴、Z轴时,电流波动条纹均是沿着Y轴的,当 激励源的入射方向沿Y轴辐照时,电流波动条纹是沿着X轴的,即电流波动条纹的方向与激 励源的辐照方向垂直。同时当入射方向为沿X轴、Z轴辐照时,电流分布以YOZ平面对称,当激 励源的入射方向沿Y轴辐照时,电流分布无对称性,如图14-15所示。
[0059] 综合掌握以上电流分布的规律,可指导选取车辆的接地点。无论激励源以何种极 化角度、入射角度以及入射方向进行辐照,当频率高到能够出现电流波动条纹时,若η为偶 数,设置接地点在较大平面上的第(η/2)与第(n/2+l)条电流条纹之间的中心位置;若η为奇 数,接地点可设置于第(η/2+1/2)条电流条纹的中心位置处。从地电流分布角度科学地指导 车辆接地点位置,能够达到减小地电流对车辆内部电子设备的电磁耦合作用,使得电子设 备能够正常工作,免受强电磁脉冲的干扰。
[0060] 仿真案例
[0061 ]建立基本尺寸为4.2m X 1.45m X 1.16m的车辆几何模型,设置其材质为金属铝,腔 体厚度为5mm,加载激励源HEMP,依据电尺寸=物体尺寸/波长,计算车体重要结构处半波长 对应的频率,列表如下:
[0062]表1车体重要结构的波长对应的频率
Luuoq」 双但ΛΤ舁勺现TT,JZ£疋1刀具侃测5?竿〇 iSDMilZ勺[^十电八、J刈故$? 率较为接近的公共谐振频率。因此,选择36MHz,180MHz和540MHz作为谐振监测频率。
[0005]当基本条件设置为极化角度为0度,入射角度为0度,入射方向为X轴正方向时,监 测频率处的电流分布如图4-图6所示。
[0066]首先可看出电流集中分布在车窗框、棱角、车身边缘位置,随着频率的增加,车体 表面出现电流波动条纹,统计条纹数目与位置、频率的关系,得到表2:
[0067]表2车体电流条纹数目统计
[0069] 由表2中数据可知,车体各位置处的电流条纹数目符合电流波动条纹公式 2L1 ? = ^。式中,η为电流条纹数目,L为车身某一平面的最长尺寸,当选择机盖平面接地时, c L为图20中A与B中较长的Β,或者选择顶棚平面接地时,L为L为图20中a与b中较长的b,f为频 率,c表不光速。
[0070] 接地点验证
[0071] 由以上分析可知,将接地点设置在机盖平面或顶棚上第(n/2)条电流波动条纹的 中心位置处,可减小电磁干扰对车内设备的干扰。因此,分别仿真将接地点设置在机盖、顶 棚平面第(n/2)条电流波动条纹的中心位置、车身边缘、车辆侧身、机盖非条纹处、顶棚非条 纹处,对比设备表面耦合到的电流,模型分别如图16-19所示。监测频率为540MHz时,车内设 备表面的电流密度的最大值和最小值统计结果如表3所示。
[0072]表3车内设备表面电流密度对比
[0074] 通过对比表3中的数据,可以看出机盖中间条纹处以及顶棚中间条纹处的电流密 度均比车辆别处的电流密度小。通过使用公式:
[0075] (非条纹处电流-中间条纹处电流)/非条纹处电流,得到电流密度值的相对大小, 经过统计发现如下结论:
[0076] 1)当接地位置在机盖、顶棚平面上时,车内电子设备表面的电流密度普遍比车身 上的电流密度小,说明接地点设置在机盖、顶棚平面上的合理性;
[0077] 2)当接地位置在机盖中间条纹处、机盖平面非中间条纹处时,车内电子设备表面 电流密度的最小值相差50%,最大电流相差46.7%,均是接地位置在机盖中间条纹处小,说 明将接地点设置在中间条纹上的合理性;
[0078] 3)当接地位置在顶棚中间条纹处、顶棚平面非中间条纹处时,车内电子设备表面 电流密度的最小值相差60%,最大电流相差40%,均是接地位置在顶棚平面中间条纹处小, 说明将接地点设置在中间条纹上的合理性。
[0079] 因此,通过车内电子设备表面电流的大小,验证了本发明所提出的一种基于车辆 地电流分布规律的接地点选择方法的有效性,减小了车内电子设备受到的电磁干扰。
【主权项】
1. 一种基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法,其特征在于包括下列步骤: 一、 分析两厢车的实际结构,使用CST MS软件建立车辆电磁模型,极化角度和入射角度 均设置为0度,入射方向设置为X轴正方向; 二、 使用电磁软件CST MS,仿真计算HEMP福照环境中车辆表面地电流的分布,获得该仿 真条件下车辆表面电流的分布响应; Ξ、分别改变极化角度、入射角度和入射方向,逐一仿真各个条件下的车辆地电流分布 结果,得到电流分布仿真图; 四、 分析监测频率与车辆地电流分布之间的关系,确定车辆地电流的分布规律; 五、 基于步骤四所得的车辆地电流的分布规律,依据电流波动条纹选取车辆接地点的 位置。2. 根据权利要求1所述的一种基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法,其特征在 于所述步骤一中的使用CST MS软件建立车辆电磁模型,要依据实际的车辆结构,包括外壳、 发动机系统的材质、尺寸参数,遵循W直线代替弧线,W平面代替凸起的等效简化原则,建 立车辆电磁模型。3. 根据权利要求1所述的一种基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法,所述步骤 Ξ中逐一仿真各个条件下的车辆地电流分布结果,是指Ξ种类型的仿真条件,仿真条件一: 入射角度为0度,入射方向为X轴正方向时,极化方向分别为30度、45度、60度和90度;仿真条 件二:极化角度为0度,入射方向为X轴正方向时,入射角度分别为30度、45度和60度;仿真条 件Ξ:极化角度和入射角度均为0度,入射方向分别为Y轴正方向、Z轴负方向。4. 根据权利要求1所述的一种基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法,所述步骤 四中监测频率与车辆地电流分布之间的关系,是指车体表面出现的电流波动条纹的数目与 2.U' 频率满足公式W二-―^,式中η为电流条纹数目,L为车身某一平面的最长尺寸,f为频率,C表 C 示光速。5. 根据权利要求1所述的一种基于车辆地电流分布规律的接地点选择方法,所述步骤 五中依据电流波动条纹选取车辆接地点的位置,是指当频率高到足W出现电流条纹时,若 电流条纹数目11为偶数,将接地点设置在机盖平面或顶棚平面的第^^)和第(^)条电 流条纹之间的中屯、位置;若η为奇数,则将接地点设置在机盖平面或顶棚平面的第(^ 2 条电流条纹的中屯、位置处。
【文档编号】G06F17/50GK105844019SQ201610171475
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】赵昱, 霍亚飞, 孙晓颖, 杨锦鹏, 王震, 扈泽正, 胡溥宇, 陈建
【申请人】吉林大学
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