基于制造技术

本发明专利技术属于航空电气工程技术领域，公开了基于

【技术实现步骤摘要】
基于COMSOL的航空直流接地电弧损伤模拟方法及系统


[0001]本专利技术属于航空电气工程
，尤其涉及基于
COMSOL
的航空直流接地电弧损伤模拟方法及系统
。

技术介绍

[0002]线缆电弧是导致飞机
EWIS
系统发生火灾的主要原因之一，电器导线互联系统（
Electrical Wiring Interconnection System
，简称
EWIS
），通常伴随着高温与强闪光现象，当电弧接触到电缆的绝缘层或护套时，能量释放导致表面温度升高，极易引发线缆起火
。
同时，飞机上防滑垫
、
安全带
、
地毯等易燃物和油箱等易爆品，增加了飞机火灾的风险
。
航空线缆通常布置在狭小的空间内，且航空环境的特殊性导致飞机线缆暴露在高温
、
高湿
、
高海拔等极端工作环境中，受力学应力和振动等多因素影响，线缆维护和检修工作变得困难，飞机火灾具有危害大的特点
。
如何保证多电及全电飞机安全可靠运行是当前航空领域亟待解决的问题之一
。
[0003]现有技术多条适航中都明确说明要考虑飞机线缆故障电弧事故的影响，但现有技术未进一步开展线缆电弧与材料相变与损伤的多场分析研究，探讨航空电弧过程中电
、
磁
、
热等对损伤的影响
。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术对飞机直流配电系统接地电弧故障检测精度低，评估电弧对管道结构的损伤程度差，不能有效准确获取接地电弧电气火灾的风险数据
。

技术实现思路

[0005]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了基于
COMSOL
的航空直流接地电弧损伤模拟方法及系统
。
[0006]所述技术方案如下：基于
COMSOL
的航空直流接地电弧损伤模拟方法，以飞机管道结构的金属材料为对象，基于热等离子体电弧的磁流体动力学理论，建立
28V
直流航空接地电弧的电磁热多物理场耦合模型，获取不同起弧点对电弧特性的影响，计算航空直流电弧作用下结构体的损伤体积参数，并与试验结果进行对比；具体包括以下步骤：
[0007]S1、
确认起弧点的具体参数，包括：电弧长度
、
线缆直径
、
铝板厚度
、
起弧点与电源的距离；
[0008]S2、
根据确认的起弧点的具体参数，使用
COSMOL
软件构建几何模型并进行网格划分，检查网格质量；
[0009]S3、
设置几何模型参数，设置求解器为瞬态求解器，计算电流
、
电路
、
磁场
、
层流和流体传热物理场接口的参数，设置几何模型物性参数和边界条件；
[0010]S4、
求解电弧持续时间，通过线路中断路保护器的特性曲线，计算断路保护器的动作时间，将动作时间作为电弧持续时间；
[0011]S5、
设置仿真模型和求解算法，设置容差因子和最大牛顿迭代次数，对仿真模型进
行初始化，设置时间步长与计算步数，开始计算，若不收敛则调整参数，重新计算直至仿真模型收敛；
[0012]S6、
通过对结果处理，得到电弧的电气特性，包括：温度场
、
电场
、
磁场
、
流场和压力场的分布；
[0013]S7、
通过表面积分，计算线缆和结构体的相变体积，检查对应时间电弧对结构体的损伤体积
。
[0014]在步骤
S2
中，所述网格质量大于
0.7。
[0015]在步骤
S3
中，所述流体传热物理场接口的参数包括：磁矢量
、
散度条件变量
、
压力
、
温度
、
速度场
、
电势
、
终端电压和电流；所述几何模型物性参数包括：重力加速度
、
材料物性参数
。
[0016]在步骤
S4
中，电弧持续时间的表达式如公式（1）所示：
[0017]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）
[0018]式中，为断路器动作时间，为故障电流与断路器额定电流比值的百分比，，，，
。
[0019]在步骤
S5
中，所述仿真模型包括：质量守恒方程
、
动量守恒方程
、
能量守恒方程和麦克斯韦方程组；
[0020]质量守恒方程的表达式如公式（2）所示：
[0021]ꢀꢀꢀꢀ
（2）
[0022]式中，为对公式进行求导，为等离子体密度，为断路器动作时间，为模型的径向，为等离子体的径向速度，为模型的轴向，为等离子体的轴向速度
。
[0023]进一步，径向和轴向的动量守恒方程的表达式分别如公式（3）和公式（4）所示：
[0024]（3）
[0025]（4）
[0026]式中，为弧柱区压力，为弧柱区径向电磁力，为等离子体的粘度，为弧柱区轴向电磁力，为重力加速度
。
[0027]进一步，能量守恒方程的表达式如公式（5）所示：
[0028]（5）
[0029]式中，为等离子体焓值，为等离子体导热系数，为等离子体恒压热容，为弧柱区焦耳热源，为弧柱区电子能级跃迁引起的热交换，为弧柱区热辐射损失
。
[0030]进一步，麦克斯韦方程组的表达式如公式（6）
、
公式（7）和公式（8）所示，分别为电流连续性方程
、
欧姆定律和麦克斯韦方程：
[0031]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）
[0032]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）
[0033]ꢀꢀ
（8）
[0034]式中，为径向的电场强度分量，为轴向的电场强度分量，为磁感应强度的切向分量，为磁导率，为径向电流密度，为轴向电流密度，为电导率
。
[0035]本专利技术的另一目的在于提供一种基于
COMSOL
的航空直流接地电弧损伤模拟系统，该系统实施所述的基于
COMSOL
的航空直流接地电弧损伤模拟方法，该系统包括：
[0036]起弧点参数确认模块，用于确认起弧点的具体参数，包括：电弧长度
、
线缆直径
、
铝板厚度
、
起弧点与电源的距离；
[0037]几何模型构建模块，用于根据确认的起弧点的具体参数，使用
COSMOL
软件构建几何模型并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于
COMSOL
的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，该方法以飞机管道结构的金属材料为对象，基于热等离子体电弧的磁流体动力学理论，建立
28V
直流航空接地电弧的电磁热多物理场耦合模型，获取不同起弧点对电弧特性的影响，计算航空直流电弧作用下结构体的损伤体积参数，并与试验结果进行对比；具体包括以下步骤：
S1、
确认起弧点的具体参数，包括：电弧长度
、
线缆直径
、
铝板厚度
、
起弧点与电源的距离；
S2、
根据确认的起弧点的具体参数，使用
COSMOL
软件构建几何模型并进行网格划分，检查网格质量；
S3、
设置几何模型参数，设置求解器为瞬态求解器，计算电流
、
电路
、
磁场
、
层流和流体传热物理场接口的参数，设置几何模型物性参数和边界条件；
S4、
求解电弧持续时间，通过线路中断路保护器的特性曲线，计算断路保护器的动作时间，将动作时间作为电弧持续时间；
S5、
设置仿真模型和求解算法，设置容差因子和最大牛顿迭代次数，对仿真模型进行初始化，设置时间步长与计算步数，开始计算，若不收敛则调整参数，重新计算直至仿真模型收敛；
S6、
通过对结果处理，得到电弧的电气特性，包括：温度场
、
电场
、
磁场
、
流场和压力场的分布；
S7、
通过表面积分，计算线缆和结构体的相变体积，检查对应时间电弧对结构体的损伤体积
。2.
根据权利要求1所述的基于
COMSOL
的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，在步骤
S2
中，所述网格质量大于
0.7。3.
根据权利要求1所述的基于
COMSOL
的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，在步骤
S3
中，所述流体传热物理场接口的参数包括：磁矢量
、
散度条件变量
、
压力
、
温度
、
速度场
、
电势
、
终端电压和电流；所述几何模型物性参数包括：重力加速度
、
材料物性参数
。4.
根据权利要求1所述的基于
COMSOL
的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，在步骤
S4
中，所述电弧持续时间的表达式如公式（1）所示：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式中，为断路器动作时间，为故障电流与断路器额定电流比值的百分比，为常数，，，，
。5.
根据权利要求1所述的基于
COMSOL
的航空直流接地电弧损伤模拟方法，其特征在于，在步骤
S5
中，所述仿真模型包括：质量守恒方程
、
动量守恒方程
、
能量守恒方程和麦克斯韦方程组；所述质量守恒方程的表达式如公式（2）所示：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏旭，田茂鑫，李梓洋，石旭东，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：