各向异性纤维增强介质结构的高性能FDTD仿真方法及应用研究

发布时间：2020-05-17 17:49

【摘要】：近年来,强度高、重量轻以及易于制造的碳纤维增强复合材料(CFRP)已经广泛地用于飞行器、导弹和舰船中的壳体设计制备中。然而,相对于传统金属材料,碳纤维增强复合材料导电性能差异明显,因此,研究碳纤维增强复合材料结构的屏蔽效能对平台和系统的电磁安全性具有至关重要的意义。然而,采用改进时域有限差分方法(FDTD)计算碳纤维增强复合材料及壳体的屏蔽效能,存在材料属性复杂和薄层带来的多尺度计算难题。为此,论文开展了各向异性纤维增强介质结构的高性能FDTD计算方法及应用研究,主要工作及创新点总结如下:(1)采用均匀化方法,建立碳纤维增强复合材料的等效介质模型,并提取其等效电磁参数;进一步地,推导了碳纤维增强复合材料薄层的反射系数、透射系数和屏蔽效能计算公式。(2)发展了基于亚网格边界条件的嵌入式碳纤维增强复合材料薄片模型。该模型将各向异性碳纤维增强复合材料薄层等效为一维结构,并将其嵌入到三维网格中,避免了对整个空间用精细网格剖分,缩减了网格数量;进一步地,在薄层内部采用准一维C-NFDTD(Crank-Nicolson FDTD)方法,得到了所有电、磁场分量,该方法中的时间步长不受薄层内部精细网格的限制;特别地,将嵌入式碳纤维增强复合材料薄片模型成功地集成到大规模并行计算程序JEMS-FDTD中,通过计算实例证明该程序对碳纤维增强复合材料薄层建模仿真的正确性和高效性。(3)基于自研大规模FDTD并行算法,数值模拟了碳纤维增强复合材料中不同层数、不同纤维角排列方式、不同极化入射波对单面碳纤维增强复合材料腔体屏蔽效能的影响,并且给出了全碳纤维增强复合材料腔体的屏蔽效能计算结果;最后,分别数值模拟了碳纤维增强复合材料飞机舱门、简化导弹弹壳和简化飞机模型的屏蔽效能,模拟结果与商业软件对比,验证了嵌入式碳纤维增强复合材料薄片模型及大规模JEMS-FDTD的效率和精度。这些方面结果可用于飞机舱体和导弹弹壳的强电磁防护设计中。
【图文】：

战斗机,材料组成,壳体,占比

：：销每逦Ｓｔｅｄ逡逑Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ邋Ａｌｌｏｙ逡逑图１．２空客Ａ３８０飞．机机身材料占比逡逑ｍ邋ＣＦＲＰ逡逑Ｊ邋ｍ邋Ｍｅｔａｌ逡逑暑逦W邋Ｇｌａｓｓ逡逑图１．３壳体由ＣＦＲＰ材料组成的战斗机逡逑１逡逑

碳纤维增强,舰体,材料复合,舰船

随着材料复合技术的不断发展，具有高强度、轻重量以及易于制造的碳纤维增强复合逡逑材料（Ｃａｒｂｏｎ邋Ｆｉｂｅｒ邋Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ邋Ｐｏｌｙｍｅｒ，邋ＣＦＲＰ）已经广泛地应用于人们生活的各个领域，逡逑尤其是被用作各种大型电子设备外壳制造，例如大型客机、舰船和导弹等。如图１．２、１．３逡逑及１．４所示，空客Ａ３８０客机、战斗机机身以及舰船舰体材料组成中均有大量ＣＦＲＰ材料。逡逑然而相较于金属材料，ＣＦＲＰ材料导电性能差了好几个量级，导致其屏蔽性能降低，有可逡逑能无法保证目标体的安全。飞机、舰船和导弹等通常处于复杂电磁环境中，当其屏蔽外壳逡逑是由ＣＦＲＰ材料制成时，若其能很好地屏蔽外部电磁能量，可以保证平台和系统在复杂电逡逑磁环境（例如闪电、核电磁脉冲）中正常工作。因此，研究ＣＦＲＰ材料的电磁屏蔽性能极逡逑其重要。逡逑对于ＣＦＲＰ材料电磁屏蔽性能的研究主要分为实验和计算两种方法，对于飞机、导弹逡逑等大型机械结构，用实验方法大大增加了成本和时间，所以对于数值模拟计算方法的研究逡逑是必要的。逡逑用数值模拟技术研究分析ＣＦＲＰ材料屏蔽效能通常有两大难题：一是由于ＣＦＲＰ材料逡逑是由碳纤维和基体复合而成
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TQ327.3

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