新型FDTD网格剖分方法及在舰船雷电防护中的应用

作     者：赵嘉晨 

作者单位：西北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋海声

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：FDTD 网格剖分方法 雷电电磁脉冲 耦合效应 舰船及船舱 

摘      要：随着近些年电子、计算机技术的飞速发展,我们的社会逐渐迈入自动化的时代,越来越多的电子设备出现在我们的生活中,各种先进的天线、雷达、自动控制等电子系统被应用于汽车、飞机、舰船上,高集成的电子系统为舰船等设备提供便利的同时,也带来了极大的隐患。除了电子系统内部产生的电磁干扰外,现代化武器、雷电等外部因素产生的电磁干扰也会对舰载设备带来或多或少的影响。对于在海面上航行的舰船来说,雷电电流产生的电磁脉冲是不可忽略的干扰因素之一。雷电电流具有频率低、响应时间短等特点。因此,在很短的时间内,雷电电磁脉冲可以在舰载设备间产生高强度的耦合电磁场,耦合电磁场又会在电子设备间产生耦合电流,对舰载设备带来严重的损伤,轻则设备失灵,重则引发火灾。因此,对雷电电磁脉冲在舰船上产生的耦合效应及防护的研究具有重要的意义。在电磁学中,舰船属于电大尺寸物体,且对雷电的电磁耦合效应研究主要在时域展开。因此本文选择时域有限差分法（FDTD）对舰船进行仿真。相比于频域算法来说,FDTD可以直接得到时域内的计算结果,并且FDTD算法在计算电大尺寸物体时具有优势。FDTD算法使用六面体网格（Yee网格）作为最小单元,因此在FDTD方法计算前,需要对仿真的模型进行网格剖分。本文设计了一种基于FDTD算法的网格剖分方法,该方法由两部分组成,首先通过表面随机填充的方法得到模型表面网格,再使用一个基于FDTD框架的算法得到模型内部区域的网格。在Matlab软件中编程实现,并通过与射线求交法的对比,验证了该方法的效率及精度,同时也对比了CST软件的仿真结果,进一步验证方法的准确性。接下来利用该方法对舰船及船舱模型进行网格剖分,在Matlab软件中使用FDTD仿真得到雷电电磁脉冲对舰船及船舱内部线缆的耦合效应。对于舰船模型,仿真得到雷电分别击中舰船甲板和天线时,舰船船身不同位置的耦合电场场值及变化规律,分析舰船船身位置的耦合电场与磁场的传播规律。对于船舱模型,仿真得到雷电击中船舱天线时,船舱内外产生的耦合电场及船舱内部线缆的耦合电压,通过改变线缆半径和线缆所处位置,分析研究了其耦合规律。由于雷电电流幅值高,作用时间短,因此在试验中模拟雷电电流的难度较高,成本较大,且具有一定的危险性,本文使用仿真方法模拟雷电电流并研究其对舰船及船舱模型的耦合效应,仿真结果可以为后续试验结果提供数据参考。