[发明专利]一种蜂窝吸波结构电磁快速数值建模方法

说明书

本发明提供了一种蜂窝吸波结构电磁快速数值建模方法，首先根据吸波蜂窝板结构，将模型分成全波精确电磁建模区和均质等效建模区；全波精确电磁建模区此区域内蜂窝璧被移除为薄璧中心面，采用阻抗边界条件描述电磁场的不连续性，并作为整个区域有限元离散的边界条件，因此可以较为精确模拟因为蜂窝结构板的边缘效应，剩下内部区域的蜂窝单元采用H‑S变分理论等效为均匀介质后进行有限元离散建模，均质等效建模极大的简化了模型结构，脱离了原蜂窝结构几何形状的限制，建模灵活性极大增强，同时，可以使用正常的剖分密度生成计算网格，进而减少网格数量，明显提高了计算效率。

技术领域

本发明属于电磁计算技术领域，具体涉及一种蜂窝吸波结构电磁快速数值建模方法。

背景技术

现代军事探测技术和精确制导技术飞速发展，未来战场的飞行器将面临更为严峻的考验，为了增强武器系统的生存、突防等的整体作战能力，隐身技术受到了各国的高度重视。蜂窝吸波结构作为一种重量轻、导热系数低、且兼具优良的力学与电磁学性能的吸波材料，获得越来越多的关注。

随着电磁计算方法和高性能计算技术的发展进步，电磁仿真成为辅助隐身设计的重要手段。对蜂窝等结构型吸波材料电磁散射特性的快速模拟和深入分析是提升飞行器电磁隐身设计水平的重要技术方向。蜂窝结构单元尺寸很小，达毫米级；蜂窝壁极薄，为亚毫米级；而整个蜂窝吸波结构件的尺寸可达米级。这种结构特性实际形成一种较为均匀分布的多尺度问题，无论建模还是计算都是计算电磁学领域的挑战性问题，尚无有效的仿真计算手段。

目前对蜂窝结构的电磁模拟大多采用均质化的等效方法近似。作为一种典型的周期性结构材料，蜂窝吸波结构可用均质化方法等效为均匀的介质体，如基于H-S变分理论的均质法可以将蜂窝吸波材料等效为均匀的单轴各向介质，并且在较低频段能达到比较好的等效精度。

近期，针对蜂窝吸波结构提出了一种极薄结构等效型区域分解合元极技术。通过应用阻抗边界(IBC)条件等效近似蜂窝结构的薄璧，然后作为合元极中有限元计算区域中的边界条件以移除复杂的薄璧结构的方式进行计算。此种实现方式可以避免极薄的微米级蜂窝璧结构带来的过密网格剖分，在保证计算精度的前提下提高了计算效率。

等效均质法的缺点：作为一种结构性材料，蜂窝材料其本身的等效电磁参数具有色散性和各向异性，均质化方法对蜂窝吸波材料等效介电常数进行分析时，难以精确反映具体结构参数对材料的影响，尤其是在较高频段，波长相对于结构周期较小，难以达到准静态近似条件，导致等效计算精度不可控，特别是对于隐身设计中比较关注的大偏角入射的情况下，等效精度很差。此外，均质法等效是基于无限大周期性结构，而有限大的吸波蜂窝板所带来的边缘效应也会给等效结果带来误差。

极薄结构等效型区域分解合元极技术的缺点：此方法在建模时仍需要精确的建立正六边形蜂窝结构以IBC边界条件强加的正确性。因此剖分模型后产生的四面体单元大小不能大于蜂窝单元外接圆半径，网格剖分的灵活度就会受到很大的限制。例如对于广泛应用于航空领域的AC-NH工业级芳纶纸蜂窝，其最小单元尺寸仅为1.83mm，在较低频段，剖分产生的网格平均剖分密度可能会远远超过计算所需的精度，仿真效率急剧降低。此外，对于实际工程中数米大小的吸波蜂窝结构件，也很难进行整个蜂窝结构所有单元的建模和剖分。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种蜂窝吸波结构电磁快速数值建模方法，可以精确地、高效的进行混合分析建模。

一种蜂窝吸波结构电磁数值建模方法，包括如下步骤：

步骤1、将整个计算区域分为有限元计算区域与边界元计算区域两部分；其中，有限元计算区域为蜂窝吸波结构的三维模型实体部分，边界元计算区域为蜂窝吸波结构中包围有限元计算区域的闭合曲面；