闪电模拟:敏感性匹配现场结果

作者:Guadalupe gutisamurez，空客防务与航天公司，西班牙赫塔菲

他们说你永远不知道闪电什么时候会来。

虽然这句话主要是用来比喻一个创新的想法，但雷击对飞机制造商和航空监管机构来说是一个非常现实的问题，尤其是考虑到商用飞机每1000小时的飞行时间就有可能被雷击一次。一些飞机制造商对如何理解这些罢工的影响有自己的创新想法。

欧洲航空航天先驱空中客车公司最近使用Ansys EMA3D为部分由金属、碳纤维复合材料和铜箔制成的混合驾驶舱设计模拟雷电敏感性。模拟是一个研究和技术项目的一部分，该项目的重点是开发未来的飞机: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预测驾驶舱复杂电子设备和电缆系统对诱发瞬变的整个电磁行为方面的能力。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

一次雷击可以包含数百万伏特或数百千安的电流。当如此强大的力量被注入飞机时，它有可能造成巨大的破坏。雷击可以点燃易燃蒸气，熔化金属部件，击穿和分层复合部件，并干扰安全关键系统和任务关键系统的正常运行，包括电气和电子设备。在最糟糕的情况下，闪电曾击落商用飞机，尽管这种情况极为罕见。上一次重大事故发生在几十年前。

为了促进整体飞行安全，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对零部件的物理测试上，而不是对整个飞机进行测试。这主要是因为整个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，对一架正在研发的飞机进行全面的物理测试需要制造一个原型机，这需要几个月的时间，而且成本高昂。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会达到数百万欧元。

在对现有飞机的防雷系统进行改造后，对其进行全面测试也是可能的，但这一过程有其自身的挑战。测试飞机的每一天都是它没有履行其预期功能的一天，将乘客或货物运送到目的地。这也是一个昂贵的提议。
而且，不止一次，全威胁测试造成的损害足以使一架飞机长时间停飞。

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，有助于飞机开发，早在概念验证阶段。除了帮助产生稳健的设计，仿真还支持资格和认证过程，以及飞机的可维护性和修改。

简单、轻巧、易于管理

空客公司使用Ansys EMA3D来了解雷电感应电磁兼容性(EMC)并支持EMC认证至少已有20年的历史。该求解器使工程师能够模拟大型飞机，同时还能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的结果与在西班牙赫塔菲的测试设施中进行的闪电间接效应(LIE)和高强度辐射场(HIRF)测试(包括低水平直接驱动、低水平扫流和低水平扫场)所产生的结果进行了比较。测试座舱配备了一个真实的电气装置，包括几个金属盒作为虚拟设备和带内导体的编织线束。

然后，空中客车公司使用一个简单、轻便、易于管理的电磁模型来进行模拟。Ansys EMA3D准磁时步加速技术通过增加自由空间的介电常数来加速长瞬态的收敛，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允许工程师选择比Courant标准要求的光的实际速度高几个数量级的时间步长。这在闪电模拟中特别有用，工程师不仅对峰值振幅感兴趣，而且对响应的能量含量或解决慢波形感兴趣。

最终，加速技术减少了设计仿真所需的步骤数，将仿真时间缩短了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吻合。模拟结果实际上是保守的，这使得它们不仅可以为设计决策提供信息，而且可以满足安全和认证标准。

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组件，确保组件之间的必要接触，避免不必要的连接。

最后，实地研究和模拟涵盖了可能影响飞机的所有主要外部威胁。两者的一致性证明了仿真的有效性和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在产品生命周期的每个阶段(从设计过程开始到资格认证和认证，以及在持续维护期间)对飞机产生的瞬变进行模拟评估。

对于乘坐飞机的公众来说，这意味着如果闪电击中了他们，他们可以放心，因为飞机的每一寸都被设计成安全的。

更多信息，请访问Ansys EMA3D电缆和EMA网站．