[发明专利]基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法

说明书

本发明提出了一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，包括对复合材料蒙皮、金属结构部件进行等效，在FEKO中利用线模型搭建复合材料飞机接地模网型；设置蒙皮与金属结构部件材料属性；添加相关激励源如电压源、电流源等和相应负载；设置频率区间，对三维模型进行网格划分；添加电流结果，利用FEKO中的低频稳定性和矩量法对模型进行数值计算；查看结果，观察电流在复合材料飞机接地网以及蒙皮上的分布，对比不同连接对电流分布的影响。本发明有益效果是：保证仿真可靠性的同时节约仿真分析时间，提高仿真效率；预测电流在复合材料飞机接地网上的分布以及复合材料蒙皮与金属接地网之间的连接属性对电流分布的影响。

技术领域

本发明涉及三维建模和仿真分析领域，特别涉及一种基于线模型复合材料飞机接地网建模与电流分布仿真方法，通过线模型对复杂的复合材料飞机接地网结构进行等效建模，使用三维全波电磁仿真软件FEKO计算各结构上的电流分布。

背景技术

复合材料由于强度高、重量轻，能有效减轻飞机重量、降低油耗和飞行成本等优点，已经在飞机上得到大量应用，例如波音B787飞机中复合材料用量达到机身重量的50％，空客A350XWB飞机中机体的53％由碳纤维复合材料制造。但复合材料导电性差、热敏性低，所以在复合材料飞机中，存在以下两点问题：电流流过导电性差的结构时会引起过高的电压降，危害设备安全；大电流流过飞机复合材料机身时会引起局部发热，可能会损坏复合材料的结构。并且复合材料机身无法提供信号和故障电流的返回路径、无法为机载电子/电气设备提供基准电位参考点、无法提供雷电和高强度辐射场(HIRF)防护以及人身保护等，这些缺陷都对复合材料机身内的电磁兼容设计提出了新的需求。

因此，为了解决这些问题，各大飞机制造商纷纷在复合材料区域内引入金属接地网结构来代替传统铝合金机身，使飞机在复合材料区域能够满足机载电子/电气设备接地、电磁兼容设计、闪电防护等需求。空客公司率先在A350XWB飞机中引入电气结构网络(Electrical Structure Networks，ESN)来实现传统铝合金机身的功能，这种ESN结构由金属、复合材料蒙皮、金属结构元件，如框架、横梁、导轨以及专用路径、保护管道、轨道、电缆等组成，在复合材料机身内形成一个专门的等电位电气网络等效代替接地平面。波音公司则在787飞机上采用铝、铜和导电能力强的搭接组件交错安装形成一个电气传导网络来克服复合材料的缺陷，波音公司将这种结构称为电流返回网络(Current Return Network,CRN)。

大型航空器结构如机身、框架、轨道、横梁的不同部件上电流分布管理非常重要，数值模拟仿真能够有效预测电流在接地网结构间的电流分布。复合材料飞机接地网在工程实践中已经得到应用，但是对于接地网结构的仿真研究很少，并且国内关于复合材料飞机接地网结构的研究起步较晚，相关研究很少，缺乏大量的实验数据。电磁数值仿真软件目前发展已经非常成熟，使用数值仿真能够节约设计成本，缩短设计时间。复合材料飞机接地网结构复杂，构成元件众多，若使用三维建模软件进行高保真建模难度大、效率低，进行数值仿真时对硬件要求极高、仿真时长也难以预估，不利于接地网结构进行电气分析，对于接地网结构的优化与调整也十分困难。

发明内容

鉴于上述问题，本发明以解决复合材料飞机接地网高保真建模难度大、仿真效率低的问题为目的，提出一种用线模型来等效代替复杂的接地网结构能够在保证仿真精度的同时，提高仿真效率的一种复合材料飞机接地网建模与仿真方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：

本发明在电磁仿真软件中对三维接地网结构进行电流分布仿真，有效预测电流在复合材料蒙皮和接地网结构上的分布。

第一步，建立复合材料飞机接地网结构：

第二步，在FEKO中利用线模型搭建复合材料飞机接地网结构，包括框架、横梁、导轨以及专用路径、保护管道、轨道等金属部件以及复合材料蒙皮；

第三步，设置复合材料蒙皮与金属结构元件的材料属性，对于蒙皮与接地网间的连接可设置多种不同属性的材料；