煙火點火器多物理場耦合仿真分析

熊 波，曾 鑫，張 旭，胥輝旗

（1.海軍航空大學(xué)，山東煙臺264001；2.海軍參謀部，北京100036）

電火工品具有響應(yīng)迅速、發(fā)火可靠性高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類武器裝備中。電火工品可分為：橋絲式、火花式和導(dǎo)電式3種[1]。

煙火點火器用于導(dǎo)彈渦噴發(fā)動機點火，屬于橋絲式電火工品。該類火工品采用電熱橋絲作為換能元，通過橋絲的電熱效應(yīng)引燃或引爆含能材料，換熱機理為電熱換能機理。火工品在設(shè)計上，關(guān)注的重點是安全性和可靠性問題。對于煙火點火器，須要重點考慮3個問題：一是能否可靠工作，即能否達到引燃裝藥的工作溫度；二是能否具備抗高頻電磁干擾能力；三是能否具備抗靜電干擾能力[2-5]。

很多文獻資料采用理論分析、電路仿真或數(shù)值仿真的方法對電點火器件某方面的性能進行了分析，但很少有文獻對其進行多物理場耦合仿真分析[6-11]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真軟件功能越來越強大。ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。該軟件可以為設(shè)計過程要求的任何場進行工程虛擬仿真。ANSYS Workbench作為目前最領(lǐng)先的工程仿真技術(shù)集成平臺，將ANSYS軟件的各個仿真模塊集合在一起，可以非常方便地實現(xiàn)多物理場耦合仿真[12]。多物理場耦合分析的顯著優(yōu)點在于，從最初的激勵條件求得某個物理場的結(jié)果之后，再將該結(jié)果作為激勵條件輸入到另一個物理場求解器進行求解，進而得到多物理場耦合的輸出結(jié)果。減少了過程中人為干預(yù)的環(huán)節(jié)，仿真更加簡便，結(jié)果也更加可靠。因此，本文采用ANSYS Workbench仿真平臺對煙火點火器進行電磁-熱多物理場耦合仿真分析。

1 煙火點火器工作原理

電火工品的點火過程可以簡化為以下2 個階段[13-15]。

1）升溫階段。在橋絲通電后，橋絲根據(jù)焦耳定律迅速升溫；

2）爆炸階段。升溫后，當(dāng)系統(tǒng)溫度高于點火溫度時，經(jīng)過一定時間，系統(tǒng)發(fā)生熱爆炸，點火過程結(jié)束。

煙火點火器內(nèi)部電路如圖1 所示。其中，A、B 端接彈上火工品供電線路，采用差分供電，可以較好地屏蔽共模干擾。C 端為接地端，與導(dǎo)彈地連接。輸入端A、B通過電容C1、C2與地之間構(gòu)成低通濾波器。

圖1 煙火點火器內(nèi)部電路圖Fig.1 Internal circuit of the ignition device

當(dāng)電火工品通入恒定電流I 時，輸入功率為[16-17]：

式（1）中：P 為損耗功率；I 為電流；R 為橋絲在常溫時的電阻；α 為橋絲材料溫度系數(shù)；T 為橋絲溫度；T0為環(huán)境溫度。

當(dāng)橋絲快速通電時，橋絲加熱速率將比冷卻速率大得多，此時可忽略熱損失，能量守恒方程可化為[18]：

式（2）中：c 為橋絲材料的比熱容；m 為橋絲的質(zhì)量。

2 煙火點火器電路仿真

在ADS 中建立煙火點火器等效電路模型進行S參數(shù)仿真，見圖2，仿真得到電路的S 參數(shù)如圖3所示。

圖2 等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model

圖3 電路參數(shù)S12Fig.3 Parameter S12 of the circuit

從圖3 中可以看出，隨著頻率增加，參數(shù)S12逐漸減低，電路呈現(xiàn)低通特性。頻率為30 kHz 時，參數(shù)S12比峰值大約降低6 dB。由于參數(shù)S12表示的是端口1和端口2之間的功率傳輸系數(shù)，與電壓成平方關(guān)系，橋路電阻上對應(yīng)的電壓幅度下降3 dB。因此，低通濾波電路的通頻帶約為30 kHz。

3 基于ANSYS Workbench仿真平臺的電磁-熱耦合仿真分析

在ANSYS Workbench 平臺中建立電磁-熱耦合仿真模型如圖4所示。

圖4 基于ANSYS Workbench的電磁-熱耦合仿真模型Fig.4 Electromagnetics-thermal coupling simulation model based on ANSYS Workbench

該仿真模型包含2部分：HFSS高頻電磁結(jié)構(gòu)仿真模塊和Steady-State Thermal 穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析模塊。HFSS 中的幾何結(jié)構(gòu)輸出到Steady-State Thermal 的幾何結(jié)構(gòu)中，HFSS的求解結(jié)果輸出到Steady-State Thermal中作為激勵條件。

3.1 煙火點火器電磁場仿真

根據(jù)電路組成和煙火點火器的外形結(jié)構(gòu)，在HFSS仿真軟件中建立煙火點火器仿真模型，見圖5。

圖5 煙火點火器仿真模型Fig.5 Simulation model of the ignition device

由于煙火點火器的殼體通過電連接器連接到導(dǎo)彈殼體上，為了簡化模型，將煙火點火器的殼體地設(shè)置為無限大的平面，A、B 引腳通過R、C 串聯(lián)電路接地，C引腳直接接地。

煙火點火器的殼體設(shè)置為PEC 材料，3 根導(dǎo)線及引腳也設(shè)置為PEC材料，電路中的電阻設(shè)置為Impedance 邊界條件，2 個電容設(shè)置為Lumped RLC 邊界條件。

仿真得到參數(shù)S12，如圖6所示。

圖6 HFSS仿真得到的參數(shù)S12Fig.6 Parameter S12 obtained by HFSS

從仿真結(jié)果來看，頻率為30 kHz 時，參數(shù)S12與峰值相比大約降低5 dB，與ADS 中的電路仿真結(jié)果略有差異，這可能是由導(dǎo)線引入的電感、電容造成的。綜上所述，HFSS 仿真模型和理想電路模型得到的結(jié)果是比較吻合的。

為了得到橋絲電阻上的功率損耗，用真實的橋絲代替理想的集總阻抗邊界條件。橋絲材質(zhì)為鎳鉻合金，其電阻率為1 μΩ/m，其電導(dǎo)率為1×106S/m。在10 kHz 頻率下，仿真得到橋絲上的電場矢量、電流密度和功率損耗密度。

橋絲中的功率損耗密度如圖7所示。

在后處理中，通過場計算器計算得到橋絲兩端的電壓如圖8所示。

從計算結(jié)果可以看出，橋絲兩端的電壓約為6.8 V。

通過場計算器計算得到橋絲中的電流如圖9 所示。

從計算結(jié)果可以看出，橋絲中的電流為7.1A。

通過橋絲的電壓、電流計算結(jié)果進一步得到其電阻約為1 Ω，與理論值吻合?？梢?，HFSS 仿真模型求解結(jié)果是正確的。

圖7 功率損耗密度Fig.7 Power loss density

圖8 橋絲兩端電壓Fig.8 Voltage on the bridgewire

圖9 橋絲中電流Fig.9 Current in the bridgewire

3.2 煙火點火器穩(wěn)態(tài)熱分析

在Steady-State Thermal 仿真模塊中仿真得到橋絲上的溫度場分布如圖10所示。

從結(jié)果可以看出，橋絲溫度達到442℃。煙火點火器裝藥的發(fā)火溫度約為300℃，因此煙火點火器能可靠發(fā)火。

圖10 橋絲溫度場分布Fig.10 Temperature distribution in the bridgewire

4 仿真結(jié)果分析

從煙火點火器的電磁場仿真結(jié)果來看，電路呈低通濾波特性，截止頻率為30 kHz，與理想電路的仿真結(jié)果基本吻合；通過HFSS 后處理中場計算器計算得到的電阻值約為1 Ω，與橋絲阻值吻合。說明HFSS仿真模型設(shè)置是準確的。從煙火點火器的穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果來看，橋絲溫度達到442℃，高于裝藥發(fā)火溫度，說明煙火點火器可以正常發(fā)火。

5 結(jié)論

首先，采用ADS仿真軟件建立了煙火點火器的電路仿真模型，對煙火點火器的濾波特性進行了分析，結(jié)果與其指標參數(shù)吻合，驗證了電路模型的正確性。

然后，基于ANSYS Workbench 仿真軟件中的HFSS仿真模塊，建立了煙火點火器的三維仿真模型，并進行電磁場仿真分析。從仿真結(jié)果得到的低通濾波特性和電阻值2項指標驗證了三維仿真模型的正確性。

最后，采用Steady-State Thermal 仿真模塊進行了穩(wěn)態(tài)熱分析。結(jié)果表明，橋絲溫度完全可以達到煙火點火器的發(fā)火條件。

本文對煙火點火器的工作狀態(tài)進行了多物理場耦合分析，驗證了仿真模型的正確性。該仿真建模方法可廣泛用于復(fù)雜電磁環(huán)境下電火工品的安全性和可靠性分析。與實驗方法相比較，該方法具有簡單、安全、高效的優(yōu)點。下一步將在該模型基礎(chǔ)上進一步分析其抗高頻干擾和抗靜電干擾的能力。