一种卫星主结构的电路集总单元模型建立方法技术

一种卫星主结构的电路集总单元模型建立方法，首先分析所需处理的卫星的主结构，将主结构依据其材料特性分成金属节点部分与非金属特种材料部分，对于金属节点部分，考虑各个节点之间的电容耦合关系，计算出此类节点之间的电容矩阵；对于非金属特种材料部分，考虑其与金属节点的接触面，将其划分为电流流入与电流流出两类面源，并计算出包含自阻、互阻、自感与互感的电阻电感矩阵；结合该电容矩阵与电阻电感矩阵，可得到与卫星主结构对应的电路集总单元模型，该模型可供相关电磁兼容与可靠性分析使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种实物模型的电路建模方法，具体涉及一种卫星主结构的电路集总单元模型建立方法。
技术介绍
卫星在复杂的空间环境中运行时，会受到太空环境中各种因素的影响。在高能电子辐照等条件作用下，卫星表面所用材料会发生表面充电与深层充电的现象，产生静电电位，并最终由于充电至一定水平而发生静电放电现象。该静电放电除了对卫星上所用材料造成损伤外，其信号还可沿卫星主结构向其余各个部分传导，并有可能诱发卫星上电子系统工作异常，从而降低卫星在空间环境中运行的可靠性，严重时甚至会缩短卫星的运行寿命。国外对于卫星充电放电类问题的研究起始于二十世纪中叶，对于此类问题已经形成了一系列成熟的研究方法，同时也制定了相关的标准。而我国关于此类问题的研究起步较晚，在空间环境试验、地面模拟空间环境试验与充放电效应仿真计算等方面与国外均有差距，因此有必要在此领域展开大力研究，从而缩小我国在航天事业上与其他国家的差距。目前美国国家航空航天局对于此类问题的研究步骤如附图1所示。首先，完成卫星结构的初步设计以及卫星充电环境的搭建；其次，结合NASCAP综合计算程序分析卫星各个部位放电风险进行评估，以确定卫星主结构激励源位置以及激励脉冲特性；之后，根据卫星结构建立与卫星结构相对应的集总单元电路模型(LEM)，结合前一步所确定激励源模型，应用电路分析软件对模型进行分析求解，确定各个部位的结构电流；最终，根据各个部位结构电流确定耦合至卫星上电子系统内的耦合电流，从而评估空间静电放电(ESD)的危险等级。为了使用该方法来研究卫星充放电问题，有必要建立卫星主结构的集总单元电路模型。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种卫星主结构的电路集总单元模型建立方法，从而评估卫星在空间环境充放电效应的危险等级；通过建立卫星主结构的集总单元电路模型，并使用商用电磁分析软件对该电路模型进行分析，确定主结构上各个部位的结构电流，最终确定耦合卫星上电子系统内的耦合电流，评估危险程度。为达到上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：一种卫星主结构的电路集总单元模型建立方法，首先分析所需处理的卫星的主结构，将主结构依据其材料特性分成金属节点部分与非金属特种材料部分，对于金属节点部分，考虑各个节点(包括大地节点)之间的电容耦合关系，计算出此类节点之间的电容矩阵；对于非金属特种材料部分，考虑其与金属节点的接触面，将其划分为电流流入与电流流出两类面源，并计算出包含自阻、互阻、自感与互感的电阻电感矩阵；结合该电容矩阵与电阻电感矩阵，可得到与卫星主结构对应的电路集总单元模型。上述所述卫星主结构的集总单元电路模型建立方法，具体包括如下步骤：步骤1：根据卫星主结构的实物结构，将其各个部分按照其材料特性分为金属材料部分与非金属特制碳纤维复合材料部分，从而进行后续电容矩阵与电阻电感矩阵的计算；步骤2：对于主结构中金属材料部分，使用有限元与边界元结合的方法来求解其电容矩阵：首先对金属材料部分进行网格划分，并对某个独立金属部分施加单位电压激励，其余部分电压设置为零；其次使用快速多极子法计算各个独立金属部分表面的电荷分布，计算电荷分布时考虑边界条件的限制；然后根据各个独立金属部分表面的电荷来计算被施加电压的金属部分与其余金属部分的电容值，并对其余导体采用同样的处理方法，最终形成电容矩阵。步骤3：对于主结构中特制碳纤维复合材料部分，应用有限元法与矩量法，求解该部分的电阻电感矩阵：首先对各个碳纤维复合材料部分进行网格划分；其次考虑各个复合材料与各金属部分之间的接触部分，将其预设为可能的电流流入面与电流流出面；然后在所有预先设定的电流流入面中，选择任意一个电流流入面施加单位电流，同时其余电流流入面设为开路，并结合材料导电特性利用有限元电磁分析法求解各个部分的体电流密度；然后计算各个流入面与流出面上电压值，并结合各个部分体电流密度提取相应的自阻与互阻数值；此外，根据电流分布求解相应的磁场强度分布与所储存能量，求解积分方程计算对应的自感与互感值；对其余的电流流入面与电流流出面采用同样的处理方法，最终得到各个路径之间的电阻电感矩阵。步骤4：考虑可能出现的高频成分，对电阻电感矩阵进行修正，并结合电容矩阵产生可供电路分析软件调用的卫星主结构集总单元电路模型。和现有技术相比较，本专利技术具备如下优点：1、本专利技术提出了一种全新的针对卫星主结构的集总单元电路建模的方法，为卫星电磁兼容与可靠性研究提供了新的思路。2、本专利技术通过使用有限元电磁分析计算方法，提取卫星主结构的电路参数并生成对应的电路模型，最终对该电路模型进行分析，可有效地避免直接使用准静态电磁分析软件分析卫星主结构时的误差，该种误差是由于准静态电磁分析软件在进行分析时忽略了位移电流的效应。3、分析所得电路模型的结果，可初步了解放电脉冲传导至各个敏感位置的电压与电流瞬态值，这有助于设计后续主结构单点注入等试验，为后续研究工作提供基础。附图说明图1为美国国家航空航天局对于卫星充电放电类问题的研究步骤。图2为主结构的电路集总单元模型建立方法的流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。如图2所示，本专利技术一种卫星主结构的电路集总单元模型建立方法，具体包括如下步骤：步骤1：根据卫星主结构的实物结构，将其各个部分按照其材料特性分为金属节点部分与非金属特种材料部分，从而进行后续电容矩阵与电阻电感矩阵的计算；步骤2：对于主结构中金属节点部分，使用有限元与边界元结合的方法来求解其电容矩阵：首先对金属节点部分进行网格划分，并对任意一个独立金属节点部分施加单位电压激励，其余部分电压设置为零；其次使用快速多极子法计算各个独立金属部分表面的电荷分布，计算电荷分布时考虑边界条件的限制；然后根据各个独立金属部分表面的电荷来计算被施加电压的金属部分与其余金属部分的电容值，并对其余导体采用同样的处理方法，最终形成电容矩阵；以三节点系统为例，对于该系统而言，节点间电荷与电压关系可由下述矩阵关系表示：Q1Q2Q3=C10+C12+C13-C12-C13-C12C20+C12+C23-C23-C13-C23C30+C13+C23U1U2U3]]>其中：Qn代表节点n上的电荷量；Cij代表节点i与节点j之间的电容值(i,j均不为0)，Ci0代表节点i与大地之间的电容值；Um本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星主结构的电路集总单元模型建立方法，其特征在于：首先分析所需处理的卫星的主结构，将主结构依据其材料特性分成金属节点部分与非金属特种材料部分，对于金属节点部分，考虑各个节点之间的电容耦合关系，计算出此类节点之间的电容矩阵；对于非金属特种材料部分，考虑其与金属节点的接触面，将其划分为电流流入与电流流出两类面源，并计算出包含自阻、互阻、自感与互感的电阻电感矩阵；结合所述电容矩阵与电阻电感矩阵，得到与卫星主结构对应的电路集总单元模型。

【技术特征摘要】
1.一种卫星主结构的电路集总单元模型建立方法，其特征在于：首先分析
所需处理的卫星的主结构，将主结构依据其材料特性分成金属节点部分与非金
属特种材料部分，对于金属节点部分，考虑各个节点之间的电容耦合关系，计
算出此类节点之间的电容矩阵；对于非金属特种材料部分，考虑其与金属节点
的接触面，将其划分为电流流入与电流流出两类面源，并计算出包含自阻、互
阻、自感与互感的电阻电感矩阵；结合所述电容矩阵与电阻电感矩阵，得到与
卫星主结构对应的电路集总单元模型。
2.根据权利要求1所述的卫星主结构的电路集总单元模型建立方法，其特
征在于：具体包括如下步骤：
步骤1：根据卫星主结构的实物结构，将其各个部分按照其材料特性分为金
属节点部分与非金属特种材料部分，从而进行后续电容矩阵与电阻电感矩阵的
计算；
步骤2：对于主结构中金属节点部分，使用有限元与边界元结合的方法来求
解其电容矩阵：首先对金属节点部分进行网格划分，并对任意一个独立金属节
点部分施加单位电压激励，其余部分电压设置为零；其次使用快速多极子法计
算各个独立金属部分表面的电荷分布，计算电荷分布时考虑边界条件的限制；

【专利技术属性】
技术研发人员：孙明宇，岳赟，靳浩，黎颖，宗益燕，郑晓泉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61