一种金属材料的等效电路模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种金属材料的等效电路模型构建方法，属于电磁兼容技术领域，包括：对金属材料进行几何离散，将金属材料剖分成众多个微体积元，将每个微体积元称为势单元，对各势单元的传导电流进行正交分解；计算各势单元之间的轴向互感、横向互感、各势单元本身的自感和电阻；针对任何的传导电流单元，建立每个节点处的KCL方程和KVL方程，将目标势单元视为参考电位，将金属材料上所有势单元所关联的KCL、KVL方程公式化为矩阵形式；针对节点方程，根据矢量磁位与标量电势之间的关系，将磁通密度用磁化强度的形式表征，设置解决方案矩阵，代入已知量，求解解决方案矩阵。适用于解决大型结构、开域情况的电磁场分布、电流分布等问题的计算分析。计算分析。计算分析。

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料的等效电路模型构建方法


[0001]本专利技术属于电磁兼容
，更具体地，涉及一种金属材料的等效电路模型构建方法。

技术介绍

[0002]目前，应用较为广泛的电磁场及电路计算分析方法主要有：时域有限差分法、有限元法、矩量法、边界元法等。
[0003]时域有限差分法是用网格剖分将定解区域(场域)离散化为网格离散节点的集合，然后基于差分原理的应用,以各离散点上函数的差商来近似替代该点的偏导数，将偏微分方程定解问题转化为相应的差分方程组问题。有限元法的核心思想是将一个复杂连续介质的求解区域分解为有限个形状简单的子区域，作为原区域的等效域，从而把求解连续体的场变量问题化简为求解有限个单元节点上的场变量值问题。由于时域有限差分法和有限元法均是基于麦克斯韦方程中的偏微分方程，都是对整个封闭场域进行网格剖分，然后计算各节点的电磁场，因此计算量很大，不宜求解开域问题。
[0004]矩量法是将待求实际工程问题的积分方程转化为一个矩阵方程，将其数值解解出，从而依据所求激励源分布的数值解，算出场分布。矩量法考虑了源和场的相互作用，计算精度较高，但用矩量法求场源电流分布时，必须同时涉及场的问题，计算量较大。
[0005]边界元法的基本原理是将偏微分方程边值问题归结为边界上积分方程，然后利用各种离散化技术求解。边界元法仅需对导体表面做离散化处理，变量数少，能适应复杂结构，但在处理扁平结构时，由于存在两个非常接近的平面，导致有两组无限接近的解，这会使得系数矩阵的条件数非常大，从而造成矩阵抗扰性差、不稳定，无法保证计算结果的正确性。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种金属材料的等效电路模型构建方法，通过对电场积分方程进行等效电路形式的离散化，将金属材料中的各种电磁效应转化为等效电路模型中的集总电路元件，为金属材料的电路仿真和电磁场分析计算提供建模仿真方法。适用于解决大型结构、开域情况的电磁场分布、电流分布等问题的计算分析。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种金属材料的等效电路模型构建方法，包括：
[0008]对金属材料进行几何离散，将金属材料剖分成众多个微体积元，将每个微体积元称为势单元，对各势单元的传导电流进行正交分解，将各传导电流单元分为X电流元、Y电流元和Z电流元；
[0009]计算各势单元之间的轴向互感、横向互感、各势单元本身的自感和电阻；
[0010]针对任何的传导电流单元，建立每个节点处的KCL方程和KVL方程，将目标势单元视为参考电位，将金属材料上所有势单元所关联的KCL、KVL方程公式化为矩阵形式；
[0011]针对节点方程，根据矢量磁位与标量电势之间的关系，将磁通密度用磁化强度的形式表征，设置解决方案矩阵，代入电流、电压等已知量后，求解解决方案矩阵，此时即可得到金属材料的等效电路模型。
[0012]在一些可选的实施方案中，对势单元进行编号，将编号为1的势单元视为参考电位。
[0013]在一些可选的实施方案中，将金属材料剖分成众多个微体积元，包括：在坐标轴上，针对X、Y、Z轴方向的金属材料，采用矩形网格的形式进行剖分，其中，剖分的微体积元的大小与计算精度相关。
[0014]在一些可选的实施方案中，将金属材料上所有势单元所关联的KCL、KVL方程公式化为矩阵形式，包括：
[0015]根据电压、电流连续性原则，将金属材料上所有势单元所关联的KCL、KVL方程联立，将形成的联立方程公式化为矩阵形式。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0017]本专利技术将金属材料的各种电磁效应转化为等效电路模型中的集总电路参数，应用电路理论来解决金属材料的电磁场分析计算问题。本专利技术原理简洁明晰，能为大型复杂金属材料上的电压、电流分布及相对应的电磁场分布问题提供便利准确的解决方法。
附图说明
[0018]图1是本专利技术实施例提供的一种等效电路基本模型图；
[0019]图2是本专利技术实施例提供的一种金属圆筒轴向离散化方案示意图；
[0020]图3是本专利技术实施例提供的一种金属圆筒横向离散化方案示意图；
[0021]图4是本专利技术实施例提供的一种轴向电阻参数提取示意图；
[0022]图5是本专利技术实施例提供的一种横向电阻参数提取示意图；
[0023]图6是本专利技术实施例提供的一种构建KCL的相邻电流单元示意图；
[0024]图7是本专利技术实施例提供的一种轴向方向KVL等效单元分支示意图；
[0025]图8是本专利技术实施例提供的一种横向方向KVL等效单元分支示意图。
具体实施方式
[0026]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0027]等效电路离散化的基本模型是通过对一段传输线进行离散化得到。由麦克斯韦方程：
[0028][0029]因为
[0030]展开得：
[0031][0032]对上式沿着分段进行积分，有：
[0033][0034]上式中，G
A
(r,r
′
)与G
Φ
(r,r
′
)分别为矢量磁位和电位的格林函数，表示r点对r
′
点的作用。
[0035]由上式可见，一个分段两端的电位差可以表示为这一分段上的电阻压降及感应电压之和，表示成互感的形式，有：
[0036][0037]同理，分段两端的电位也可以表示成分布的电荷的共同作用的结果。
[0038]Φ
i
＝∑P
ij
·
q
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0039]故此，等效电路离散化的基本模型可以表示为如图1所示的基本模型。
[0040]本专利技术利用等效电路离散化的方法来建立金属材料的等效电路模型，既可以为金属材料的电路仿真问题提供模型输入，又可以在电磁场仿真上提供简化方法，为金属材料的仿真分析提供了有效的方法。
[0041]该实施例包括对一个金属圆筒的等效电路模型构建。
[0042]步骤1：对金属圆筒进行几何离散，为简化求解难度，将金属圆筒轴向切面、横向切面近似成一个正多边形，同时因为金属圆筒的轴向、横向长度远大于其外壳厚度，不考虑电流在直径方向的分量，金属圆筒的离散化如图2、图3所示；
[0043]步骤2：计算势单元之间的轴向互感、横向互感，以及势单元的自感及电阻。将互感解耦成两个互不影响的方向参数，轴向互感参数的求解表达式为：
[0044][0045]横向互感计算公式为：
[0046]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属材料的等效电路模型构建方法，其特征在于，包括：对金属材料进行几何离散，将金属材料剖分成众多个微体积元，将每个微体积元称为势单元，对各势单元的传导电流进行正交分解，将各传导电流单元分为X电流元、Y电流元和Z电流元；计算各势单元之间的轴向互感、横向互感、各势单元本身的自感和电阻；针对任何的传导电流单元，建立每个节点处的KCL方程和KVL方程，将目标势单元视为参考电位，将金属材料上所有势单元所关联的KCL、KVL方程公式化为矩阵形式；针对节点方程，根据矢量磁位与标量电势之间的关系，将磁通密度用磁化强度的形式表征，设置解决方案矩阵，代入已知量，求解解决方...

【专利技术属性】
技术研发人员：华成超，黄琛，陈亮，杨鹏，杨春宇，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：