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《上海交通大学》 2012年
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电磁脉冲与舰船典型结构之间电磁相互作用的混合FDTD方法研究

王健  
【摘要】:现代舰船上拥有大量的通讯、雷达和导航等电子信息设备,存在许多电磁兼容和电磁干扰抑制问题。而计算机仿真技术已成功应用于舰船上各种电磁效应和电磁干扰机理的研究中。特别地,必须注意到舰船平台本身具有超电大结构,其电磁兼容和电磁干扰效应仿真极具挑战性。为此,本论文针对大型舰船平台中复杂电磁环境效应机理和必需的高效混合电磁数值计算方法进行了较为系统地深入研究。本论文主要工作和创新点总结如下: (1)发展了具有低数值色散特性的高阶FDTD(2,4)方法,并在该方法基础上提出了一系列相应的混合技术,包括平面波源引入、高阶近远场外推和高阶吸收边界条件等。另外,第二章详细研究了该方法的稳定性条件和数值色散特性。 (2)提出了一种新型有效的FDTD网格生成技术,它基于结构表面CAD模型和射线追踪算法。该技术利用模型的表面三角形网格,通过判断射线与表面三角形的交点以及相邻交点间的格点属性,并且综合三个方向的判断结果,生成FDTD的六面体网格。该技术不仅适合于通常结构模型的网格阶梯近似,还能给出无限薄曲面的网格生成及共形网格数据。 (3)提出了一种新型FDTD(2,4)金属共形技术。该技术不仅大大降低了FDTD方法的数值色散误差,还缩小了阶梯近似带来的计算误差。针对共形技术中普遍存在的稳定性难题,采用Fourier稳定性分析方法,给出了FDTD(2,4)的全局稳定性分析,并在此基础上提出了一种改善其稳定性的方案。最后,将该方法应用于几种典型舱室结构的屏蔽效能数值计算中,并且详细研究了舱室屏蔽效能随入射电磁脉冲(EMP)波形参数、舱室几何参数及形状结构特征的变化规律。 (4)提出了一种基于FDTD(2,4)方法的介质共形技术,用来预测舱室中人体模型在外来EMP辐照下,模型体内的SAR分布特性。在传统介质共形基础上,提出了线、面、体三类介质共形平均方法,并给出了最佳方案选择。其中面平均方法成功地用于SAR分布特性的计算分析中。 (5)提出了一种混合FDTD方法,它基于等效同轴馈电模型、noda细线模型、改进的屏蔽线缆场线耦合方程及转移阻抗模型、改进节点法(MNA)和传输线FDTD方法。并将该方法成功地用于舱室及天线馈电结构的瞬态电磁耦合仿真,实现了从天线到线缆再到终端负载的一体化EMP效应快速预测,为相关体统地电磁脉冲干扰效应提供了一种高效的场-线-路联合仿真方法。 (6)在上述混合FDTD方法研究的基础上,开发了高效并行FDTD仿真软件,用来数值计算大型舰船、舰-机一体化的表面电流分布,该软件在并行效率和计算精度方面具有独特优势。软件主要包括前处理模块、FDTD仿真模块和后处理三大部分,包括读入CAD模型文件、生成FDTD网格、FDTD仿真设置、结果输出、后处理等功能。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN011

【引证文献】
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