基于FEKO软件的鱼雷壳体屏蔽效能仿真

第28卷第4期 水下无人系统学报 Vol.
28
No.4
2020年8月
JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Aug. 2020
收稿日期: 2019-06-27; 修回日期: 2019-09-04.
作者简介: 王凯国(1980-), 男, 高级工程师, 主要研究方向为鱼雷总体.
[引用格式] 王凯国, 张静, 拓勇, 等. 基于FEKO 软件的鱼雷壳体屏蔽效能仿真[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(4): 467-470.
基于FEKO 软件的鱼雷壳体屏蔽效能仿真
王凯国, 张 静, 拓 勇, 吴 斌
(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)
摘 要: 鱼雷产品暴露在舰船甲板上时, 处于高强电磁辐射场中, 为保证雷内火工品的安全性, 防止其不
被意外点火, 雷壳的电磁屏蔽效能非常重要。

文中采用FEKO 软件内置的矩量法(MOM)建立鱼雷壳体模型, 对鱼雷壳体的电磁屏蔽效能进行了数值仿真, 分析了壳体屏蔽效能随频率和结构的变化趋势, 得出在谐振频率点附近, 屏蔽效能表现恶劣; 随着缝隙数目的增加, 屏蔽效能越差。

文中所做研究工作为鱼雷产品壳体屏蔽效能的测试和改善提供理论依据。

关键词: 鱼雷壳体; 电磁屏蔽效能; FEKO 软件; MOM 算法
中图分类号: TJ630.1; TB71.2 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2020)04-0467-04 DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.018
Shielding Effectiveness Simulation of Torpedo Shell Based on FEKO Software
WANG Kai-guo , ZHANG Jing , TUO Yong , WU Bin
(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)
Abstract: The torpedo exposed on the ship deck is in a high-intensity electromagnetic radiation field, in this case the electromagnetic shielding effectiveness of the torpedo shell is very important for ensuring the safety of the pyrotechnics in the torpedo, it is necessary to ensure the pyrotechnics are not accidentally ignited. In this paper, a simulation model of torpedo shell is established by the method of moment(MOM) built in FEKO software, and the electromagnetic shielding effectiveness of torpedo shell is simulated numerically. The variation trend of shell shielding effectiveness with fre-quency and structure is analyzed. It is concluded that the shielding effectiveness is poor near the resonance frequency point; and the larger the number of apertures is, the worse the shielding effectiveness becomes. This research may pro-vide the theoretical basis for testing and improving the shielding effectiveness of torpedo shell.
Keywords: torpedo shell; electromagnetic shielding effectiveness; FEKO software; method of moment(MOM)
0 引言
鱼雷内部的火工品大多采用很小的带有桥丝或桥带的电阻元件(电起火管), 有意引爆电起爆装置时, 电流脉冲通过桥丝或桥带产生热量, 引爆爆炸序列。

当鱼雷产品暴露于舰船甲板高强电磁场环境中时, 射频感应电流可能会造成桥丝或桥带发热, 从而导致电起爆装置的无意引爆。

因
此, 为了保证雷内火工品的安全性, 鱼雷壳体必须具有良好的电磁屏蔽效能。

鱼雷金属外壳包裹内部的火工品, 对入射的电磁波具有一定的衰减效能, 因此鱼雷内部电起爆电路所处的电磁环境会比外部电磁环境弱很多。

根据电磁兼容等效法, 文中使用矩量法(method of moment, MOM), 通过FEKO 软件对鱼雷壳体的电磁屏蔽效能进行仿真计算, 以对屏蔽薄弱环节及时采取改进措施。

2020年8月
水下无人系统学报 第28卷
1 基本理论
1.1 屏蔽效能原理
电磁屏蔽的作用原理如下: 在一次场(源所在场)的作用下, 屏蔽体表面产生的感应电荷, 以及其壁内产生电流和磁极化共同产生出二次场, 二次场与一次场相叠加, 使得防护区域内的合成场弱于原来的一次场, 即场源所产生的电磁能流一部分被屏蔽体反射, 另一部分则被引导着从屏蔽体的壁内通过, 从而无法进入空间防护区域。

根据电磁学理论: 远场(均匀平面波)和近场电场源的反射损耗是低频时屏蔽的主要机理, 吸收损耗是高频时屏蔽的主要机理[1]。

电磁学理论中, 屏蔽效能定义为入射到屏蔽层的电(磁)场强度与穿透屏蔽层的电(磁)场强度的比值[2]。

由于火工品的安全性主要表征为其回路电流[3-4], 与火工品所处位置的电场强度相关, 且磁场强度通过传播媒质的本征阻抗与电场强度联系。

因此, 文中仿真试验求解的电磁屏蔽效能不考虑磁场强度, 而定义为在一定辐射场下, 雷壳内同一点有雷壳屏蔽和无雷壳屏蔽的场强之比。

针对火工品的入射场强用较弱的场强来仿真, 等效评估雷壳的电磁屏蔽效能, 为火工品安全性评估提供依据。

设置入射场强为0E , 传播方向相对雷壳孔缝为垂直入射方向。

若在某频率下, 仿真计算得到某屏蔽效能参考点处的电场强度为1E , 则在该频率下电场屏蔽效能为
1
20lg
N E SE E = (1) 1.2 屏蔽效能失效机制
根据电磁学理论, 屏蔽层须完全包裹电子电路, 没有被电缆、孔或孔缝等穿透, 除非经过正确处理, 否则屏蔽层上的任何开孔都会大大降低屏蔽效能。

例如当一个封闭金属盒有电缆穿透时, 若附近有一个诸如天线的辐射源辐射电磁场, 该电磁场就会耦合到导线上, 在导线中产生感应电流, 该电流会流入外壳, 耦合进内部电子电路。

而文中研究则关注另一种常见的穿透: 屏蔽层中的孔或孔缝, 屏蔽体内部或外部的场都会通过这些孔缝进行辐射, 但通过封闭屏蔽体上的感应电流, 及其相应的场产生的散射场, 能够减小或抵消入射场的影响[1]。

假设平面波入射到良导
体的表面上, 入射场感应表面电流, 良好的屏蔽可以认为是感应电流产生了反射场, 反射场的极性必须使其抵消入射场以满足边界条件, 即良导体总的电场切向分量必须为0[5]。

为了使屏蔽体达到这种抵消的目的, 感应电流必须无阻碍流动。

若屏蔽体上存在孔缝, 假设孔缝与感应电流的方向垂直, 那么孔缝就会打断电流的流动, 减小屏蔽效能, 孔缝的宽度对此影响不大; 假设孔缝的方向平行于感应电流的方向, 则对屏蔽效能影响不大。

由于不容易判断感应电流的方向, 因此就不能正确设置孔缝的方向, 因此根据巴比涅原理, 孔缝可能成为与导体尺寸等于孔缝尺寸的天线一样的有效辐射体。

文中仿真实验考虑到雷壳连接结构的复杂性, 通过针对性仿真检查雷壳真实连接结构的各种孔缝对雷壳电磁屏蔽效能的影响。

1.3 MOM 算法
文中采用Altair FEKO 软件进行仿真建模和计算。

该软件内置多种算法, 其中MOM 算法是一种基于积分方程的数值方法[6], 其思想主要是将几何目标剖分离散, 在其上定义合适的基函数, 然后建立积分方程, 利用权函数检验产生一个矩阵方程, 求解该矩阵方程即可得到几何目标上的电流、场或其他未知数向量a 分布, 从而其他近远场信息可从该未知数向量分布求得。

假设描述物理系统的算子方程为
()L x b = (2)
式中, x 为未知等效流或场; b 为已知激励源。

用MOM 算法求解该算子方程的步骤如下:
1) 选择一组带有未知数的基函数{}1N
i i j = 表示未知的等效流或场1
N
i i
i x a j
==
∑;
2) 选择加权函数或检验函数j t , 并对算子方程两边求内积得
0,,N j i i j i t L a j t b =⎛⎫
= ⎪ ⎪⎝⎭
∑
(3)
式(3)可进一步写为
()1
1
,,N N
ji i
j
i
i
j j i i A a t L j a
t b f =====∑∑ (4)
该矩阵方程可简化为
2020年8月
王凯国, 等: 基于FEKO 软件的鱼雷壳体屏蔽效能仿真 第4期
[]=
A a f (5)
式中: []A 为N N ⨯的矩阵, 表征阻抗网络; a 和
f 均为1N ⨯的向量, a 为电流系数, f 为激励向
量, N 为未知量数目。

3) 用直接法或迭代法求解式(5), 从而获得等效流或场的未知数向量a ;
4) 由求得的等效流带入积分方程求解任意点的场。

用MOM 法求解电磁场问题的优点是能够严格计算各子散射体间的互耦, 保证计算误差的系统总体最小而且不会产生数值色散问题。

2 仿真实例
2.1 仿真模型建立
以轻型鱼雷为例, 鱼雷壳体上分布有若干开孔, 除设定插座外, 每个开孔均有相应堵塞装置, 因此不考虑开孔影响。

壳体各段之间采用楔环连接, 阴阳头配合, 并有若干辅助零件, 为鱼雷壳体上尺寸最大的孔缝, 是主要的电磁泄露途径, 如图1所示。

轻型鱼雷的楔环结构如图2所示。

图1 壳体连接模型图
Fig. 1 Model of shell connection
图2 楔环结构图
Fig. 2 Structure of wedged-ring connection
2.2 外部激励源设置
选择设置均匀平面波作为外部辐射源。

根据电磁学公式, 有
()()000sin sin cos cos cos cos cos cos sin cos sin cos x y z E E E E E E ϕηθϕηϕηθϕηθη⎧=-+⎪
=+⎨⎪
=⎩ (6) 式中: 0E 为幅度; η为极化角度; x E 、y E 和z E 分别代表X 、Y 、Z 轴方向的电场强度。

通过式(6)选择合适的参数, 可得仿真所需的半环形平面波如图3所示。

其特性为辐射场内场强处处相同(方向和量值), 图中蓝色箭头为传播方向(入射方向), 相对于雷壳模型上缝隙为垂直入射方向; 绿色箭头为电场方向。

根据右手螺旋法则可得磁场方向[7]。

设置入射波场强为1V/m 。

图3 平面波设置图
Fig. 3 Plane wave setting
2.3 频率对仿真结果的影响
采用Altair FEKO 软件进行仿真, 网格剖分采用三角形网格。

计算雷壳在不同频段激励源下, 雷内某敏感点的电场强度。

部分典型结果如图4所示。

其中横坐标为Y-Z 平面上, 敏感点相对于X 零点的距离; 纵坐标为该点处的电场强度。

图4 不同频率屏蔽效能仿真结果对比
Fig. 4 Comparison of shielding effectiveness simulation
results at different frequencies
由图可知, 该段壳体屏蔽效能在 2.315 GHz 处较恶劣。

具体仿真结果见图5。

由图4还可看出, 入射波频率离开2.315 GHz 频率点后, 无论频率降低或升高, 其屏蔽效能都优于2.315 GHz 频率点, 说明存在一些入射平面波的特殊频率点, 会使电磁屏蔽效能变差。

根据电磁学理论可知, 这是由于孔缝的共振效应使得在谐
振频率点(或称为共振频率点)附近, 雷壳内耦合
场反射叠加
, 场强变大, 屏蔽效能变差[8]。

2.4 缝隙数目对仿真结果的影响 仿真模型中主要有盖板缝隙和合段缝隙2种
尺寸较大的孔缝结构, 对去掉盖板缝隙和去掉部
2020年8月水下无人系统学报第28卷
图5 三维仿真结果图(f =2.315 GHz)
Fig. 5 Three-dimension simulation result(f =2.315 GHz) 分合段缝隙后进行仿真, 结果如图6所示。

其中横坐标为Y-Z平面上, 敏感点相对于X零点的距离; 纵坐标为该点处的电场强度。

图6 不同缝隙数目屏蔽效能仿真结果对比(f=2.315 GHz) Fig. 6 Comparison of shielding effectiveness simulation results for different gap numbers(f=2.315 GHz) 从图6中可以看到, 缝隙数目影响雷壳的屏蔽效能。

根据电磁学理论, 当缝隙尺寸大于半波长时, 外部辐射电磁波可以毫无阻碍地进入到屏蔽体内, 合段缝隙和盖板缝隙相较于电磁波长而言, 均为尺寸偏大的孔缝结构, 因此雷壳上的大尺寸缝隙越少, 屏蔽效能越好。

2.5 谐振频率点对仿真结果的影响
对模型进行修改, 改变缝隙结构, 去掉楔环及壳体内部分突出结构件, 仿真计算后2.315 GHz频率点的屏蔽效能得到改善。

分析其原因是由于内部腔体和孔缝尺寸改变[9-10], 使得谐振频率点发生偏移, 结果见图7。

图7 不同结构屏蔽效能仿真结果对比(f=2.315 GHz) Fig. 7 Comparison of shielding effectiveness simulation results for different structures(f=2.315 GHz) 3 结束语
文中选择MOM算法, 使用FEKO软件对鱼雷壳体合段结构的电磁屏蔽效能进行了仿真, 得到了合段缝隙对雷壳屏蔽效能的影响因素, 如果结构开孔和波长相比较小, 结构缝隙采用金属板错层搭接方式(没有贯通的缝隙), 一般屏蔽效能较好, 但如果有线缆贯穿壳体, 会对屏蔽效能产生严重影响。

因此, 针对鱼雷壳体屏蔽效能仿真, 后续将对线缆贯穿壳体等对其的影响进行分析。

参考文献:
[1]Paul C R. 电磁兼容导论[M]. 闻映红, 译. 北京: 人民
邮电出版社, 2007.
[2]杨儒贵. 高等电磁理论[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007.
[3]强涛, 周彬, 秦志春, 等. 桥丝式电火工品安全电流的
预测[J]. 南京理工大学学报, 2006, 30(1):110-112.
Qiang Tao, Zhou Bin, Qin Zhi-chun, et al. Prediction of
No-firing Current of Bridgewire Electric Explosive De-
vice[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2006, 30(1): 110-112.
[4]Kabik I, Rosenthal L A, Solem A D. The Response Of Elec-
Tro Explosive Devices To Transient Electrical Pulse[C]// Proceeding of the 3th Electric Initiator Symposium. Phila, USA: the 3th Electric Initiator Symposium, 1960: 1-24.
[5]Weston D A. 电磁兼容原理与应用[M]. 2版. 杨自佑,
王守三, 译. 北京: 机械工业出版社, 2006.
[6]哈林顿. 计算电磁场的矩量法[M]. 王尔杰, 译. 北京:
国防工业出版社, 1981.
[7]丁君. 工程电磁场与电磁波[M]. 北京: 高等教育出版社,
2007.
[8]李凯. 带孔缝矩形金属腔体屏蔽效能研究[J]. 微波学
报, 2013, 29(4): 48-52.
Li Kai. Research of the Shielding Effectiveness of a Rec-
tangular Metallic Enclosure with an Aperture[J]. Journal
of Microwave, 2013, 29(4): 48-52.
[9]黄年龙, 吴明赞, 李竹 . 基于有限元法的孔缝结构矩形腔
屏蔽效能数值仿真[J]. 电子器件, 2013, 36(5) : 634-638.
Huang Nian-long, Wu Ming-zan, Li Zhu. Numerical Sim-
ulation of Shielding Effectiveness for Rectangular Cavity
with Apertures Based on FEM[J]. Chinese Journal of Electron Devices, 2013, 36(5): 634-638.
[10]汪柳平, 高攸纲. 有孔矩形腔的屏蔽效能及其对谐振抑
制研究[J]. 电波科学学报, 2008, 23(3): 560-564, 571.
Wang Liu-ping, Gao You-gang. Analysis of Shielding Ef-
fectiveness for Rectangular Cavity with Apertures and Resonance Suppression[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(3): 560-564, 571.
(责任编辑: 陈曦)。