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线缆束耦合效应不确定性的仿真分析

发布时间:2019-01-07 21:37
【摘要】:近年来,随着航空、航天器功能的日渐复杂化,大量捆扎线缆束敷设在有限空间内,这会造成机载线缆束所面临的电磁环境更加恶劣,因此在研发阶段通过数值计算预测捆扎线缆束的电磁耦合水平显得尤为重要。本课题开展了捆扎线缆束耦合效应不确定性问题的仿真研究,提出单位长度寄生电参数计算模型,结合多项式混沌法实现随机捆扎线缆束耦合效应的不确定性分析,提高了线缆束电磁耦合效应仿真分析的有效性和实用性,夯实线缆相关电磁兼容仿真计算技术的理论基础。首先,本课题介绍了基于镜像法的双导体传输线单位长度寄生电参数计算模型,结合相关电磁场理论,将线缆束几何结构参数转化为单位长度寄生电参数。在此基础上利用Legendre插值,将双导体计算模型推广到多导体,可以实现多导体捆扎线缆束寄生电参数的计算,有效的解决了邻近效应的问题。Ansoft Q3D Extractor软件仿真结果表明,所提出的传输线寄生电参数计算模型计算结果准确,平均相对误差在1.05%以内,可以用于对线缆束耦合效应的分析。线缆束的耦合效应主要包括线间耦合和场线耦合效应,其中线间耦合效应指的是串扰。为具体分析随机捆扎线缆束的串扰效应,建立了基于多导体传输线理论的串扰模型,其频域分析结果由基于场求解方法的CST软件和串扰实验验证。随后建立了以线缆束几何结构参数为不确定性参量的线缆束串扰随机模型,应用多项式混沌法对双导体和多导体算例进行不确定性分析,分析结果由蒙特卡洛算法验证。计算结果表明,多项式混沌法的平均相对误差在2.69%以内,计算效率可提高100倍左右,兼具较高的计算准确度与计算效率。线缆束的场线耦合效应在实际工程中应用更广,同样基于多导体传输线理论建立场线耦合模型,其频域分析结果的有效性仍由CST软件验证。针对不同的不确定性参量,将场线耦合的不确定性问题分为两类,分别是以入射场参数为不确定性参量的第一类场线耦合问题和以线缆束几何结构参数和入射场参数同时为不确定性参量的第二类场线耦合问题。应用多项式混沌法对两类场线耦合问题的双导体和多导体算例进行不确定性分析,分析结果由蒙特卡洛算法验证。计算结果表明,多项式混沌法的平均相对误差在4.80%以内,计算效率可提高400~1000倍,在复杂线缆耦合问题中效率提高更加明显。
[Abstract]:In recent years, with the increasing complexity of aerospace and spacecraft functions, a large number of bundled cable bundles are laid in limited space, which will result in an even worse electromagnetic environment for airborne cable bundles. Therefore, it is very important to predict the electromagnetic coupling level of bundled cable bundles by numerical calculation in R & D stage. In this paper, a simulation study on the uncertainty of coupling effect of bundled cable bundles is carried out, and a calculation model of parasitic electrical parameters per unit length is proposed. The uncertainty analysis of coupling effect of random bundles is realized by means of polynomial chaos method. It improves the effectiveness and practicability of the simulation and analysis of the electromagnetic coupling effect of cable bundles and compacts the theoretical basis of the simulation and calculation technology of cable correlation electromagnetic compatibility. Firstly, the model of parasitic electrical parameters per unit length of double-conductor transmission lines based on mirror image method is introduced, and the geometric parameters of cable bundles are transformed into parasitic electrical parameters of unit length in combination with the theory of electromagnetic field. On this basis, the calculation model of double conductors is extended to multi-conductor by using Legendre interpolation. The parasitic electric parameters of multi-conductor bundles can be calculated, and the problem of proximity effect can be solved effectively. The simulation results of Ansoft Q3D Extractor software show that, The calculation results of parasitic electrical parameters of transmission lines are accurate and the average relative error is less than 1.05%, which can be used to analyze the coupling effect of cable bundles. The coupling effects of cable bundles mainly include interline coupling and field-line coupling, and the midline coupling effect refers to crosstalk. In order to analyze the crosstalk effect of random bundles, a crosstalk model based on multi-conductor transmission line theory is established. The frequency domain analysis results are verified by CST software and crosstalk experiment based on field solution method. Then a stochastic model of cable bundles crosstalk with geometric structural parameters of cable bundles as uncertain parameters is established. The uncertainty analysis of double conductors and multi-conductor examples is carried out by using polynomial chaos method. The results are verified by Monte Carlo algorithm. The results show that the average relative error of the polynomial chaos method is less than 2.69%, and the calculation efficiency can be improved by about 100 times. The field-line coupling effect of cable bundles is more widely used in practical engineering. The field-line coupling model is also established based on the multi-conductor transmission line theory. The validity of the analysis results in frequency domain is still verified by CST software. For different uncertainty parameters, the field line coupling uncertainty problem is divided into two categories. It is the first kind of field line coupling problem which takes the incident field parameter as the uncertainty parameter and the second kind field line coupling problem which takes the cable beam geometric structure parameter and the incident field parameter simultaneously as the uncertain parameter. In this paper, the polynomial chaos method is used to analyze the uncertainty of double conductors and multi-conductors for two kinds of field-line coupling problems. The results are verified by Monte Carlo algorithm. The results show that the average relative error of the polynomial chaos method is less than 4.80%, and the computational efficiency can be increased by 400 ~ 1000 times, especially in the complex cable coupling problem.
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:V24;V211

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本文编号:2404200

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