材料微结构电磁屏蔽效能与电磁散射性能的数值模拟

论文摘要

材料的微观组织结构对材料的电磁屏蔽性能和电磁散射性能有着直接的影响,随着有限元方法和计算机技术的发展,人们可以利用有限元的方法来模拟微观组织结构,以达到材料微观组织结构的性能导向型设计和性能预测的目的。本研究在对材料微观组织结构进行可视化模拟的基础上,选择大型通用有限元软件ANSYS对材料微观组织结构内部的电磁场效应进行了计算和分析。对碳系电磁屏蔽复合材料进行了微观组织结构设计和电磁屏蔽效能数值模拟。研究了复合材料内部微片分布方式对复合材料电磁屏蔽效能的影响,并对计算结果进行了分析总结,这些结论对复合材料的制备具有重要的参考价值。建立了碳纤维复合材料电磁屏蔽效能数值计算的有限元模型,并对模型的合理性做了一定程度的分析,在微观尺度上对系列的结构进行了电磁屏蔽效能计算和类比分析,找到了纤维类复合材料数值计算的代表性体积单元(RVE),为今后的宏微观耦合计算奠定了基础。与“静厚新”课题组李俊琛博士和张赋硕士合作,对铁氧体材料进行了微观组织结构设计和电磁散射数值模拟。以ABAQUS软件建立了雷达吸波材料(RAM)的微观有限元模型,使用Python脚本语言编程实现ABAQUS有限元模型到ANSYS有限元模型的的转换,在ANSYS软件中,对此微观组织结构进行了数值模拟。在计算机实验中,详细分析了所建数值模型的合理性,采用分体网格技术实现了ABAQUS导入网格与ANSYS自建网格的界面连续性,使用了一种新的方法来衡量目标体对电磁波的反射性能,即Poynting矢量方法。使用ANSYS参数化设计语言(APDL)编写了建模、运算及结果输出的完整程序,通过程序提供的二次开发界面,用户可指定任意的电磁波反射方向,程序会自动计算并输出该方向的反射率。最后,本研究初步应用不同的有限元软件对雷达吸波材料(RAM)、雷达吸波结构(RAS)和雷达散射截面(RCS)进行了数值计算,通过对计算机实验结果与理论解的对比,总结了不同软件计算不同问题的精确度,为今后的工作指明了方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 碳系电磁屏蔽用复合材料的国内外研究现状
• 1.3.2 铁氧体及其复合材料吸波性能国内外研究现状
• 1.4 理论基础
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 材料微结构电磁屏蔽效能数值模拟
• 2.1 电磁屏蔽机理和电磁屏蔽效能计算方程
• 2.2 石墨微片复合材料的电磁屏蔽效能的数值模拟
• 2.3 二维编织碳纤维复合材料的电磁屏蔽效能数值模拟
• 2.3.1 几何模型的建立及网格划分
• 2.3.2 6×6型纤维复合材料计算机实验
• 2.3.3 纤维网格大小对结果的影响
• 2.3.4 代表性体积单元的研究
• 第3章 材料微结构电磁散射计算数值模型
• 3.1 ANSYS计算电磁散射的原理
• 3.2 计算机实验过程
• 3.2.1 计算机实验流程
• 3.2.2 几何模型的创建
• 3.2.3 网格划分
• 3.2.4 边界条件及载荷的加载
• 3.2.5 结果数据的提取
• 3.3 模型合理性分析
• 3.3.1 几何模型及单元划分
• 3.3.2 多频扫描与模型尺寸
• 3.3.3 关于纳米级模型模型厚度的讨论
• 第4章 铁氧体材料的电磁散射性能的计算
• 4.1 ABAQUS—ANSYS联合计算中的问题及解决方案
• 4.1.1 有限元模型连接问题
• 4.1.2 目标体表边界条件加载
• 4.1.3 最终模型的确定
• 4.2 电磁波波源方向的反射率计算
• 4.2.1 Poynting矢量介绍
• 4.2.2 计算机实验
• 4.3 任意角度电磁反射率计算
• 4.3.1 计算原理
• 4.3.2 ABAQUS导入模型计算
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录