一种特种车辆整车雷电分区仿真确定方法

摘要

本发明提出了一种特种车辆雷电分区仿真确定方法，通过模拟特种车辆行驶过程中容易出现的诱发雷击和车辆停驻时容易出现的自然雷击两种不同的雷击形式，分别设置不同的雷电放电模型，对于不同雷击情况下特种车辆表面的雷电分区情况进行确定。通过明确仿真状态、模型布局、雷电放电形式、流程和放电电压，形成统一可执行的方法，解决目前缺乏标准方法参考的难题，可为特种车辆的雷电分区仿真和雷电效应防护能力的分析提供技术支撑。

主权项

一种特种车辆整车雷电分区仿真确定方法，其特征在于：车辆行驶仿真确定阶段和车辆停驻仿真确定阶段；所述车辆雷电分区仿真确定步骤如下：(1)需要仿真的车辆为导弹发射车，确定需要仿真的车辆部位包括车体、发射筒、车窗、车门和车轮；车体包括车头、车身、车架；发射筒包括发射筒顶盖、发射筒筒身；(2)按照需要仿真车辆的尺寸和部位，以1：1的尺寸建立导弹发射车模型；所述车辆行驶仿真确定阶段步骤如下：(3)在车轮底部设置水平导体平板，当导弹发射车模型处于行驶状态时，建立一个三维笛卡尔直角坐标系O‑XYZ，原点为车体中心在水平导体平板上的投影，X轴的正方向指向车辆行驶方向，Y轴与X轴正交，X轴和Y轴都在水平导体平板内；Z轴的正方向为垂直于水平导体平板向上；水平导体平板的面积为大于导弹发射车模型在水平导体平板的投影的两倍至五倍之间；(4)设置雷电放电云极板，雷电放电云极板为导体平面，且平行于步骤(3)设置的水平导体平面，当车辆长度小于10米，将雷电放电云极板与步骤(3)的水平导体平面之间的距离在40～50米，当车辆长度大于等于10米，将雷电放电云极板与步骤(3)的水平导体平面之间的距离在50～60米，雷电放电云极板的面积为大于导弹发射车模型在水平导体平板的投影的两倍至五倍之间；(5)设置步骤(3)的水平导体平板接地，即0电势点，电压为0V；设置步骤(4)的雷电放电云极板为雷电放电电极，电压为+300kV～+500kV；雷电放电云极板与水平导体平板产生的准静电场为仿真区域；(6)设置仿真状态1，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身和发射筒顶盖均为金属，设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为无车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(5)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(7)设置仿真状态2，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身和发射筒顶盖均为金属；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为有车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(5)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(8)设置仿真状态3，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为金属、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为无车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(5)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(9)设置仿真状态4，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为金属、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为有车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(5)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(10)设置仿真状态5，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为复合材料且外喷金属漆、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为无车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(5)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(11)设置仿真状态6，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为复合材料且外喷金属漆、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为有车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(5)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(12)设置仿真状态7，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为复合材料且外喷金属漆、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为：发射筒顶盖外设金属条，且顶盖外设的金属条与发射筒筒身的外喷金属漆接触，无车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(5)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(13)设置仿真状态8，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为复合材料且外喷金属漆、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为：发射筒顶盖外设金属条，且顶盖外设的金属条与发射筒筒身的外喷金属漆接触，有车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(5)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(14)设置仿真状态9，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为金属、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为：发射筒顶盖外设金属条，且顶盖外设的金属条与发射筒筒身接触，无车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(5)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(15)设置仿真状态10，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为金属、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为：发射筒顶盖外设金属条，且顶盖外设的金属条与发射筒筒身接触，有车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(5)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(16)将步骤(6)至步骤(15)得到的导弹发射车模型表面的电场强度分布分别进行雷电分区，得到导弹发射车模型表面的雷电分区情况，包括强雷电影响区、中等雷电影响区、弱雷电影响区；将电场强度在20V/m以上的区域定义为强雷电影响区；将电场强度在10V/m以上至20V/m之下的区域定义为中等强雷电影响区；将电场强度在20V/m之下的区域定义为弱雷电影响区；(17)统计步骤(6)至步骤(15)的不同仿真状态得到的导弹发射车模型表面的强雷电影响区的网格点数量，确定发射筒表面强雷电影响区包含的网格数量最少的仿真状态，得到发射筒表面强雷电影响区包含的网格数量最少的仿真状态对应的导弹发射车模型的材料属性和雷电防护措施；所述车辆停驻仿真确定阶段步骤如下：(18)当导弹发射车模型处于停驻状态时，在车轮底部设置水平导体平板，建立一个三维笛卡尔直角坐标系O‑XYZ，原点为车体中心在水平导体平板上的投影，X轴的正方向为车尾指向车头方向，Y轴与X轴正交，X轴和Y轴都在水平导体平板内；Z轴的正方向为垂直于水平导体平板向上；水平导体平板的面积为大于导弹发射车模型在水平导体平板的投影的两倍至五倍之间；(19)建立球坐标系O‑RΘΦ，球坐标系的坐标原点与步骤(18)三维笛卡尔直角坐标系O‑XYZ的原点重合，在球面上设置雷电放电电极，雷电放电电极为导体，设定雷电放电电极到坐标原点的距离为R，仰角Θ为雷电放电电极与坐标的连线和Z轴正方向的夹角；方位角Φ为在雷电放电电极与坐标原点的连线在XOY平面上的投影和X轴正方向形成的夹角；(20)当车辆长度小于10米，将r设定为40～50米，当车辆长度大于等于10米，将r设定为50～60米；设置步骤(18)水平导体平板接地，即0电势点，电压为0V；设置步骤(19)的雷电放电电极的电压为+300kV～+500kV；雷电放电电极与水平导体平板产生的半球准静电场为仿真区域；(21)将雷电放电电极的坐标P_i(r,θ,φ)设置为k₁＝0,1,2,3，k₂＝0,1,2,3,4,5,6，i＝0,1,2,…,21，设置k₁＝0，k₂＝0；(22)设置仿真状态11，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身和发射筒顶盖均为金属，设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为无车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(20)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(23)设置仿真状态12，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身和发射筒顶盖均为金属；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为有车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(20)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(24)设置仿真状态13，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为金属、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为无车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(20)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(25)设置仿真状态14，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为金属、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为有车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(20)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(26)设置仿真状态15，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为复合材料且外喷金属漆、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为无车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(20)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(27)设置仿真状态16，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为复合材料且外喷金属漆、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为有车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(20)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(28)设置仿真状态17，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为复合材料且外喷金属漆、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为：发射筒顶盖外设金属条，且顶盖外设的金属条与发射筒筒身的外喷金属漆接触，无车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(20)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(28)设置仿真状态18，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为复合材料且外喷金属漆、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为：发射筒顶盖外设金属条，且顶盖外设的金属条与发射筒筒身的外喷金属漆接触，有车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(20)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(29)设置仿真状态19，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为金属、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为：发射筒顶盖外设金属条，且顶盖外设的金属条与发射筒筒身接触，无车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(20)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(30)设置仿真状态20，即导弹发射车模型的材料属性及雷电防护措施：设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的材料属性：车身为金属、车轮为橡胶、车窗为玻璃、发射筒筒身为金属、发射筒顶盖为复合材料；设置步骤(2)建立的导弹发射车模型的雷电防护措施为：发射筒顶盖外设金属条，且顶盖外设的金属条与发射筒筒身接触，有车身与水平导体平板连接的接地链；对导弹发射车模型的表面划分网格，得到导弹发射车模型的所有网格在步骤(20)的准静电场的作用下行驶时，导弹发射车模型表面各网格的电场强度，将导弹发射车模型表面各网格的电场强度汇集形成导弹发射车模型表面的电场强度分布；(31)将步骤(22)至步骤(30)得到的导弹发射车模型表面的电场强度分布分别进行雷电分区，得到导弹发射车模型表面的雷电分区情况，包括强雷电影响区、中等雷电影响区、弱雷电影响区；将电场强度在20V/m以上的区域定义为强雷电影响区；将电场强度在10V/m以上至20V/m之下的区域定义为中等强雷电影响区；将电场强度在20V/m之下的区域定义为弱雷电影响区；(32)统计步骤(22)至步骤(31)的不同仿真状态得到的导弹发射车模型表面的强雷电影响区的网格点数量，确定发射筒表面强雷电影响区包含的网格数量最少的仿真状态；(33)用i+1替换步骤(21)中的i，用k₁+1替换步骤(21)中的k₁,将k₂遍历0～6，重复步骤(22)～(32)，直到i＝21，k₁+1等于3，k₂等于6结束，即得到k₁为1时，k₂分别取0～6，导弹发射车模型发射筒表面强雷电影响区包含的网格数量最少的仿真状态；k₁为2时，k₂分别取0～6，导弹发射车模型发射筒表面强雷电影响区包含的网格数量最少的仿真状态；以及k₁为3时，k₂分别取0～6，导弹发射车模型发射筒表面强雷电影响区包含的网格数量最少的仿真状态；(34)汇总步骤(21)设定的不同位置的雷电放电电极作用下，得到的导弹发射车模型发射筒表面强雷电影响区包含的网格数量最少的仿真状态；(35)对步骤(33)汇总得到的不同位置的雷电放电电极作用下，得到导弹发射车模型发射筒表面强雷电影响区包含的网格数量最少的仿真状态中出现概率最高的仿真状态，然后确定导弹发射车模型发射筒表面强雷电影响区包含的网格数量最少的仿真状态中出现概率最高的仿真状态对应的导弹发射车模型的材料属性和雷电防护措施。