高功率电磁环境效应下舰船桅杆内部电磁脉冲仿真分析.pdf
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1、 设计计算 新技术新工艺 设计与计算2 9 高功率电磁环境效应下舰船桅杆内部电磁脉冲仿真分析裴高飞,崔晓斌,李戴维,陈 鑫(中国电子科技集团第二十八研究所,江苏 南京 2 1 0 0 0 7)摘 要:舰船桅杆的结构特殊且桅杆上载有电力设备、通信设备等,精密仪器相对集中,导致雷电间接效应对舰船桅杆设施的影响较为严重。通过高功率电磁脉冲环境模拟,经大量数值计算,分析了高功率电磁环境直接和间接作用下,舰船桅杆内部各位置点电磁场分布情况。此外就桅杆材质对高功率电磁环境的影响进行数值计算,分析了间接电磁脉冲效应对复合材料型桅杆与金属型桅杆的影响,为舰船桅杆内部设备加装过程中电磁防护设计提供了可参考的理论
2、依据。关键词:电磁环境;舰船;设备;有限差分中图分类号:O 5 2 1.3 文献标志码:AS i m u l a t e d A n a l y s i s o f E l e c t r o m a g n e t i c P u l s e i n s i d e S h i p M a s t i n H i g h-p o w e r E l e c t r o m a g n e t i c C i r c u m s t a n c eP E I G a o f e i,C U I X i a o b i n,L I D a i w e i,CHE N X i n(C E T C
3、2 8t h,N a n j i n g 2 1 0 0 0 7,C h i n a)A b s t r a c t:T h e s t r u c t u r e o f s h i p m a s t w a s s p e c i a l a n d t h e e l e c t r i c a l e q u i p m e n t,c o mm u n i c a t i o n d e v i c e a n d o t h e r e q u i p-m e n t w e r e l o a d e d o n t h e m a s t.T h e p r e c i s
4、e i n s t r u m e n t w a s r e l a t i v e c o n c e n t r a t i o n,w h i c h l e d t o t h e r e l a t i v e s e r i o u s n e s s o f i n f l u e n c e o f i n d i r e c t e f f e c t o f l i g h t n i n g t o t h e s h i p m a s t.T h r o u g h h i g h p o w e r e l e c t r o m a g n e t i c p
5、u l s e e n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n a n d a g o o d d e a l o f n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n,e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d d i s t r i b u t i o n o f e a c h p o s i t i o n p o i n t i n s i d e t h e s h i p m a s t w a s a n a l y z e d u n d e r d i r e c t a
6、n d i n d i r e c t e f f e c t i n t h e h i g h p o w e r o f e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t.A t t h e s a m e t i m e,n u m e r i c a l c a l-c u l a t i o n w a s f i n i s h e d f o r t h e e f f e c t o f m a s t m a t e r i a l t o t h e h i g h p o w e r o f e l e c t r
7、o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t,a n d w e a n a l y z e d t h e e f f e c t o f i n d i r e c t e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e e f f e c t t o t h e m a s t o f t h e c o m p o s i t e a n d t h e m e t a l,w h i c h p r o v i d e d t h e o r e t i c a l f o u n d a-t i o n f o r r
8、e f e r e n c e o f e l e c t r o m a g n e t i c p r o t e c t i o n d e s i g n u n d e r e q u i p m e n t i n s t a l l a t i o n i n t h e s h i p m a s t.K e y w o r d s:e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t,w a r s h i p,e q u i p m e n t,f i n i t e d i f f e r e n c e m e t h
9、o d 近年来,在我国东南海域也曾多次出现舰载雷达装备遭遇雷电事故1,严重阻碍了设备的全天候工作。在雷达雷电防护设计领域,匡本贺2分析了雷达直击雷防护装置技术要求;潘锴等3给出了新雷达综合防雷设计方案;孙旭光等4提出主动式防雷器是雷达雷电防护最为有效的方案。这些方案,在雷达雷电防护领域得到了一定程度的应用,但对于舰船的桅杆内部电磁环境效应的研究较少,依据不足。之于舰船,雷电间接效应防护技术研究是舰船雷电防护的重要组成部分,由于桅杆高度较高,桅杆为便于设备维护还开有窗,大量工程实践表明,孔口一直是影响舱室电磁防护的薄弱环节5-6,导致雷电间接效应所造成的影响主要集中于桅杆体上。本文主要通过大量数
10、值计算,分析雷电磁脉冲环境下舰船桅杆内部的电磁环境。随着人类社会文明的不断进步,船舶工业也得到了快速发展。舰船的结构、装备、性能等都是日新月异,舰船及其桅杆所使用的材料发展过程主要有以下3个阶段:木质、钢铁、复合材料。钢铁由于自身的坚固性取代了传统的木材,并得到了广泛应用;随着科技步伐的迈进,舰船上的先进设备层出不穷,而舰船上钢材质桅杆突出在外,会对舰船上的天线系统产生干扰,且由于桅杆突出在外,处于水分含量较高的海面,极易被腐蚀,因此复合材料桅杆开始在舰船航海工业上应用。舰船桅杆高度较高且桅杆上载有的电力设备相对集中,因此导致雷电间接效应所造成的影响较为严重。本文主要以舰船桅杆模型为例,分析雷
11、电流泄放于避雷针、雷电流泄放于桅杆底部平台,及泄放于底部平台复合材料桅杆3种情况下,桅杆内部的瞬变电磁场分布,求解器所计算的数据为桅杆内部设备布局提供理论指导。1 模型建立1.1 桅杆模型的建立目前,复合新型材料在舰船工业上应用越来越广泛7-8,在大型舰艇的非关键性部件或中小型舰艇上复合材料技术已得到大量运用。本文研究的桅杆主要包括纯钢结构、复合材料结构两种,对其内部电磁场分布进行仿真计算。桅杆模型参照有关设计规范进行建立,所建桅杆模型如图1所示。新技术新工艺 2 0 2 3年 第9期 3 0 新技术新工艺 设计与计算图1 舰船桅杆仿真模型图1中,桅杆底座为9 m1 0 m的舰岛,顶面为纯钢结
12、构;桅杆结构为底部边长2.8 m、顶部1.4 m的八棱柱;桅杆中部和上部分别开有1.7 m1.5 m、1.1 m0.5 m两个窗口,便于为设备供电及电缆束布设;顶部为舰船上所用天线。1.2 仿真频率范围的选取由于舰船雷电间接效应的相关标准较少,本文参照飞机雷电间接效应的仿真实验的相关标准,对舰船桅杆雷电间接效应进行各项参数设置。由于雷电脉冲产生的电磁波耦合到舰船桅杆内部后会发生谐振,会有新 的高频分量 在桅杆内部 作用。G J B 1 3 8 9 A2 0 0 5标准9表明,对于飞机雷电间接效应测试来说,其频率范围为01 0 MH z。因此本文中桅杆内部 雷 电 间 接 效 应 仿 真 应 主
13、 要 分 析03 0 MH z频率范围内的电磁场强度。舰船桅杆闪电间接效应仿真时间与激励源持续时间保持一致,本文取2 0 0 s,在时域范围进行求解。1.3 网格剖分参数设置仿真计算的速度与网格的数量密切相关,网格的数量与所设定的网格域有关,包括所设置激励源的持续时间、所分析雷电的频率范围等有关。网格剖分的越细致,所计算的结果误差越小,越趋于实际,但网格数量、计算量都会急剧增加,使得计算速度变慢,对计算机的性能、配置要求也比较高,甚至会导致仿真失败。故而,在进行网格大小的设定时,应保证仿真结果在误差允许范围内时,适当调整网格大小,使得仿真达到预期效果。1.4 激励源的选择根据相关标准G J B
14、 1 3 8 9 A2 0 0 5,闪电环境的电流波形如图2所示。除了分量A、A h、B、C、D外,还有D和D/2组成的多回击(M S)、分量H的一连串脉冲组成的多脉冲(MB)。本文分析舰船桅杆雷电间接效应,雷电流采用A分量,该分量的波形为双指数波(见图3)。图2 直接影响测试的电流分量AD图3 A分量电流波形雷电流的表达式为i(t)=i0(e-t-e-t)(1)式中,i0=2 1 8 8 1 0 A,=1 1 3 5 4 s-1,=6 4 7 2 6 5 s-1。雷电流上升时间tr:从峰值的1 0%上升至9 0%所经历的时间,tr3.7 s;半峰值宽度th w:从上升沿峰值的5 0%至下降沿
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