线缆系统抗辐射噪声干扰仿真应用案例

 

1.摘要

 

系统级辐射抗扰度测试(Radiated Immunity)是EMC的一个重要测试项目,如汽车EMC的ISO11451-2测试。平台上线缆子系统的抗辐射噪声将直接影响整个系统的辐射抗扰能力,因此有必要分析线束系统的抗辐射能力。本案例采用Ansys EMA3D Cable软件分析车载复杂线缆束的抗辐射噪声,演示仿真流程以及计算结果。

 

2.仿真思路

 

本案例通过导入汽车CAD模型以及线缆束设计文件Cable  Harness(KBL格式)构建车载线束系统,分析在平面波激励下线束上的干扰电压、电流噪声以及车辆上的感应电流。

 

3详细仿真流程与结果

 

3.1软件与环境

软件版本为Ansys EMA3D Cable 2021R2。EMA3D Cable集成了时域有限差分算法FDTD和多导体传输线求解技术MTL,为平台级线缆束的EMC分析提供解决方案。

 

3.2仿真流程

 

3.2.1模型导入与求解区域定义

下图为导入的汽车CAD模型,其中包含车身、车内框架、轮毂、轮胎以及尾部电子设备。首先在Domain中定义仿真频率、求解区域、网格尺寸、边界条件以及并行分区数目。其中FDTD的时间步长、空间步长、Start time、End time均基于指定的最低频率和最高频率计算得到,其中Lowest Frequency = 1/tend,  

 

 

。求解区域Domain具体设置如下:仿真频率和时间:Lowest Frequency定义为1MHz,Highest Frequency定义为1.25GHz,End Time定义为1E-6s,Step Time定义为4E-11s。求解区域:Minimum X:-6240 mm,Y:-2340 mm,Z:-1200 mm;Maximum X:4200 mm,Y:3390 mm,Z:2400 mm。网格尺寸:Step Size:30 mm。边界条件设置为PML。

 


图 1 车辆CAD模型导入及求解区域Domain定义

 

3.2.2材料定义

仿真前需要对所有几何模型赋材料,EMA3D的Mesh仅对赋予了材料的几何进行网格剖分。下面创建各向同性材料Steel、Aluminum和Rubber。

 

表 1 材料参数列表

 

3.2.3 KBL格式的线缆数据导入

将材料Steel赋给几何carshell,frame,wheelshields以及enclosures,将材料Aluminum赋给几何rims,将Rubber赋给几何tires。

 

图 2 车辆Steel、Aluminum及Rubber材料定义

 

选择PEC材料赋给设备与车身的接地线groundwires,如下图所示。

 

图 3 接地线的PEC材料定义

 

线缆的CAD数据KBL文件包含了线缆路径以及物理特征等信息。EMA3D Cable可以直接读入KBL格式数据,自动创建线缆路径以及横截面信息。此案例中选择KBL线缆数据文件完成线束信息导入。

 

图 4 KBL线缆束数据导入

 


图 5线缆路径上横截面信息查看

 

修改两个屏蔽线缆束” CL_014”以及” CL_016_2”的转移电感Transfer Inductance的计算方式为“Fixed Value”。

 


图 6设置屏蔽线束CL_014的转移电感计算方式

 

3.2.4设置平面波激励源

本例中我们定义激励源为平面波,如下图所示在Sources中选择Plane Wave,定义入射方向为Theta=90deg,Phi=90deg,极化角度为Theta=0deg,Phi=0deg。

 

图 7 定义平面波激励源

 

3.2.5设置探针

本例中我们关注Cable Harness “w_200_1”内芯上的感应电压噪声以及屏蔽线缆“CL_016_2”的屏蔽层上的感应电流,下一步在对应的Cable上定义电压探针和电流探针。

 

(1)设置Voltage Probe。选择Cable Harness “w_200_1”,定义两个Terminations,分别端接50Ohm的电阻,求解方式设置为Boundary。

 


图 8  Cable Harness “w_200_1” 端接电阻定义

 

在菜单MHARNESS中选择Cable Probes定义Voltage Probe,选择“w_200_1”这段Cable以及Probe的放置位置,并定义Segment,如下图所示。

 

图 9 定义Cable Voltage Probe并选择Segment

 

(2)设置Current Probe。分别选择Cable Harness “CL_016_2” ,“W_996_2”和 “W_999_2””定义两个Terminations,分别端接50Ohm的电阻,求解方式设置为Boundary。

 


图 10 Cable Harness “CL_016_2” 屏蔽层端接电阻定义

 


图 11 Cable Harness “W_996_2”端接电阻定义

 

图 12 Cable Harness “W_999_2”端接电阻定义

 

在菜单MHARNESS中选择Cable Probes定义Current Probe,选择“CL_016_2”这段Cable以及Probe的放置,并定义Segment,如下图所示。

 


图 13 Cable Harness “W_996_2” 屏蔽层端接电阻定义

 

(3)设置Bulk Current。在Cable Harness “bn_964” 创建Bulk Current Probe,监测此段线束在X方向上的注入电流。

 


图 14 Bulk Current Probe定义

 

(4)设置表面感应电流监测Animation。在EMA3D Probes 中选择Animation并在结构树中选择Car和electronics,定义Probe Type为Electric Current。

 

图 15 Car 和 Electronics的表面电流监测设置

 

3.2.6网格剖分与计算

在File->Space Claim Options-> EMA3D->FDTD Meshing 中设置Deconfliction Type为“Full”。返回主界面完成网格剖分,并点击Analysis->Start进行求解。

 

图 16 网格查看

 

3.2.7 结果后处理

在Results下面打开完成的计算数据节点,分别右键选择Voltage,Current,Bulk Current并点击Plot,即可在Visualization下面看到绘制的2D Plots。分别点击这些结果节点选择Show可以查看以下计算结果。

 


图 17 Cable “w_200_1” 上的电压噪声(时域)

 

图 18 Cable “w_200_1” 上的电压噪声(频域)

 

 


图 19 Cable “CL_016_2” 屏蔽层上的感应电流噪声



图 20 Cable “bn_964” 上的Bulk Current

 

右键点击Results下面的Animation Probe选择Generate Animation可生成表面电流的时域动画图。将Axis的Maximum设置为1,得到如下结果。

 

图 21 生成表面电流动画

 

3.3仿真结果分析

案例中EMA3D Cable计算了在高斯脉冲平面波照射下车内线缆上的电压和电流噪声。通过对时域结果的FFT变换可以得到线束上的噪声频谱,并分析得到线缆对不同频率电磁波的抗辐射噪声能力。同时分析车身上的表面电流可以查看车辆不同位置的屏蔽效能。

 

4 资源效果分析

 

计算资源统计:CPU主频 2.6GHz,单核计算,计算时间 1小时12分钟。如需并行计算,可以在Domain中通过Parallel Divisions可以设置并行加快仿真速度。

 

5 结论

 

本案例中计算了汽车平台上的线缆系统在高斯平面波照射下的抗辐射噪声。EMA3D Cable的时域仿真技术可以获得线缆束上的时域噪声和车内外的时域电磁场分布特征。利用内置的FFT变化一次计算即可得到关心频带内多个频点的频域响应,计算结果为研究车辆屏蔽效能、线缆选型、线缆接地等EMC分析及改进提供了有力支撑。