闪电模拟:磁化率匹配现场结果

瓜达卢佩Gutiérrez，空中客车防务和空间，赫塔菲，西班牙

他们说你永远不知道什么时候会有闪电。

虽然这一说法主要是用来比喻一个创新的想法，但对于飞机制造商和航空监管机构来说，雷击是一个非常现实的问题，尤其是考虑到商用飞机每飞行1000小时就有可能被雷击一次。对于如何理解这些打击的影响，一些飞机制造商有自己的创新想法。

欧洲航空先驱空中客车公司最近使用Ansys EMA3D和MHARNESS模拟部分由金属、碳纤维复合材料和铜箔组成的混合驾驶舱设计的雷电易感性。这次模拟是一个研究和技术项目的一部分，该项目专注于开发未来的飞机:一种超绿色和高成本效益的航空运输系统。

具体来说，空客工程师希望验证该模型在多大程度上能够预测驾驶舱复杂电子设备和电缆系统在感应瞬态时的整个电磁行为。这将有助于他们了解模拟结果与现场测试结果的匹配程度。

对物理测试的补充

一次闪电可能包含数百万伏特或数百千安的电压。当如此强大的力量注入飞机时，它有可能造成巨大的破坏。雷击可以点燃易燃的蒸汽，熔化金属部件，击穿和分层复合材料部件，扰乱安全和关键任务系统的正常运行，包括电气和电子设备。在最糟糕的情况下，闪电曾导致商用飞机坠毁，尽管这种情况极其罕见。上一次重大事故发生在几十年前。

为了提高整体飞行安全，飞机制造商在每架飞机上都设计了防雷装置。

评估这些功能的有效性通常集中在零件和组件的物理测试上，而不是整个飞机。这主要是因为对整架飞机的全威胁物理测试只能在少数几个设施中进行，而且这个过程是困难的、破坏性的和危险的。

成本和开发延迟也会影响物理测试。首先，对正在开发的飞机进行全面的物理测试需要制造原型机，这需要几个月的时间，而且成本很高。如果飞机在这一点上没有通过测试，重新设计和改造的成本可能在数百万欧元。

在对现有飞机的防雷系统进行更改后，也可以对其进行全面测试，但这一过程也有其自身的挑战。一架飞机测试的每一天，都意味着它不能执行预期功能，不能将乘客或货物运送到目的地。这也是一个昂贵的提议。
而且，全威胁测试已经不止一次造成了足以让飞机长时间停飞的损坏。

模拟避免了这些挑战，但它并不意味着要取代物理测试。相反，它是一个越来越重要的工具，早在概念验证阶段就有助于飞机开发。除了帮助产生可靠的设计外，仿真还支持鉴定和认证过程，以及飞机的维护性和修改。

简单、轻便、易于管理

空客使用Ansys EMA3D来了解闪电引起的电磁兼容性(EMC)并支持EMC认证至少已有二十年。该求解器允许工程师模拟大型飞机，同时还可以求解尺寸不超过一毫米或更小的导体引脚。

在这种情况下，空客将Ansys EMA3D结果与在西班牙赫塔菲的测试设施进行的完全闪电间接效应(LIE)和高强度辐射场(HIRF)运动(包括低水平直接驱动、低水平扫电流和低水平扫场)的结果进行了比较。测试座舱配备了一个真实的电气装置，包括几个金属盒子作为虚拟设备和带内部导体的编织线束。

空客随后使用了一个简单、轻便、易于管理的EM模型来进行模拟。Ansys EMA3D准磁时步加速技术提高了自由空间的介电常数，从而加速了长瞬态的收敛，使得在不显著影响场值的情况下降低光速成为可能。事实上，EMA3D允许工程师选择一个比Courant标准所要求的实际光速高几个数量级的时间步长。这在闪电模拟中特别有用，工程师们不仅对峰值振幅感兴趣，而且对响应的能量含量感兴趣，或者对求解慢波形感兴趣。

最终，加速技术减少了设计仿真所需的步骤数，将仿真时间减少了90%，并加快了整个过程。

更安全的产品

空客工程师发现，测量结果与模拟结果高度一致。模拟结果实际上是保守的，这使得它们不仅对设计决策有用，而且对满足安全和认证标准也很有用。

使用Ansys EMA3D，工程师无需调整电磁模型来验证任何不同的测试技术。他们能够考虑所有相关的组件，确保组件之间的必要联系，并避免不必要的连接。

最后，实地研究和模拟涵盖了所有可能影响飞机的主要外部威胁。两者之间的一致性证明了模拟的有效性和Ansys EMA3D的预测能力。现在，飞机制造商比以往任何时候都更有信心通过仿真来估计飞机在产品生命周期的每个阶段所产生的瞬态，从设计过程的开始到鉴定和认证，以及在持续维护期间。

对于乘坐飞机的公众来说，这意味着如果真的发生了闪电，他们可以放心，因为飞机的每一寸地方都设计了安全装置。

有关更多信息，请访问Ansys EMA3D电缆而且EMA网站．