整車級電磁兼容仿真建模技術研究

馬喜來 孫 梨 馬慧明 田 楊 楊開宇

(1.一汽解放汽車有限公司 商用車開發院，吉林 長春 130011；2.吉林大學 測試科學實驗中心，吉林 長春 130012)

0 前言

在汽車整車行駛環境中，要求整車和零部件能夠不受電磁干擾，維持正常工作。同時，汽車自身運行時產生的電磁場也不能對周圍環境造成電磁干擾，被視為“電磁兼容”。汽車電磁兼容是指能夠使汽車自身及周圍電子設備維持正常、穩定的運行狀態，且不會出現失靈或失效的性能[1]。由于越來越多的電子設備被應用于汽車領域，汽車自身所處的電磁環境也變得更為復雜。為了提高汽車的電磁兼容性能，確保汽車在使用過程中能夠安全、可靠地運行，且不會對周圍其他設備產生干擾，對汽車進行整車級電磁仿真預測分析已經成為汽車行業的研究重點與熱點[2]。

在整車開發過程中，解決電磁兼容問題所花費的成本會隨著研發階段的推進呈指數級增加。因此，在新車型的設計階段，應全面考慮電磁兼容問題。同時，在開發新車型時，往往會出現各個部件在電磁兼容性測試時指標功能均正常，但集成到整車時卻無法通過測試的情況。為了解決該問題，通常采取的方案是多次整改，重復整個測試過程，導致開發成本大幅增加[3-4]。為了減少整車電磁兼容問題造成的影響，降低研發成本，縮短新車型的開發周期，有必要對整車級電磁兼容仿真技術進行研究。

1 汽車電磁環境中的主要干擾源

汽車在行駛過程中，電子設備容易受到車內外各種電磁信號的干擾[5]。通常汽車電磁干擾源可以分為以下3類。

(1)車載干擾源。主要是指汽車上裝載的各類電子設備在正常運行時產生的電磁場會對其他設備造成影響。汽車內部的電磁干擾源主要包括汽車的儀表系統、傳輸線纜及點火系統等。在一般情況下，車載干擾源產生的干擾信號頻率范圍通常在105～109Hz之間。車載干擾源會對車內及車體周圍的電子設備產生一定程度的干擾。

(2)自然干擾源。主要是指車輛在行駛過程中受到的各種電磁環境噪聲。其中，閃電和靜電對電磁信號的影響較大。閃電的放電過程較為復雜，能夠在1μs內產生超過10 k A 的電壓。相對而言，靜電對電磁信號的影響較弱，但也會對汽車電子設備產生一定的影響，并且呈多發狀態。關于靜電干擾，其在1～2 ns內產生的電流可以達到10 A，甚至更高。自然干擾源產生的電磁場，在一定程度上導致汽車電子設備的工作異常，甚至失靈。

(3)人為干擾源。主要是指存在于汽車外部，用于廣播、電視、手機、導航等通信需求的各類人工裝置產生的電磁干擾。有文獻指出，在惡劣環境中，人工裝置電場強度可高達(100±50)V/m[6]。

2 建立整車電磁兼容仿真模型

2.1 建立原則

現有的汽車電磁兼容仿真分析往往會忽略汽車車體對電磁兼容仿真結果的影響，而僅針對汽車零部件和子系統進行發射類的仿真分析。但在實際情況中，汽車金屬外殼對整車的電磁兼容性能所產生的影響不可忽略。因此，建立準確的整車級電磁兼容仿真模型是開展電磁兼容仿真分析的重要基礎。

目前，在整車的研發階段，所采用的模型大多是基于計算機圖形輔助三維交互應用(CATIA)軟件設計的。考慮到電磁兼容仿真的計算效率，需要對整車的模型進行簡化，在確保電磁兼容仿真精度的同時提高仿真效率。電磁兼容仿真分析實際上是將復雜、抽象的電磁兼容問題簡化為具體的模型分析問題[7]。在CATIA 環境下對整車幾何模型進行初步簡化時，通常需要遵循以下幾項原則。

(1)忽略整車結構上的細節，可以在CATIA 軟件中刪除整車模型內的焊點、螺栓等特征，并在后續處理中采用平滑過渡的方法，減少網格數量。

(2)僅保留整車模型中材質為金屬的部分，如車身、底盤、座椅金屬框架等，忽略汽車內部車殼、方向盤、大燈外殼及保險杠等非金屬結構。

(3)對某些關鍵零部件，如發動機、變速箱等，應忽略其內部結構細節，而重點關注金屬外殼對其產生的影響。

基于以上原則，對整車級CATIA 模型進行了初步幾何清理，并對整車模型進行高質量的網格劃分。隨后，將該模型導入電磁仿真軟件中，并設置環境參數，形成精準、高效的整車電磁仿真模型。

2.2 仿真模型建立過程

對原始的CATIA 幾何模型進行簡化處理，去除不必要的細小結構。經過細小結構清理簡化后的模型會存在多余的節點、公共邊、小尺寸的孔洞及倒角等結構特征。使用電磁仿真軟件對網格進行劃分時，上述結構特征將會產生大量網格，大幅提高了電磁仿真軟件的計算成本，因此需要對這些結構特征進行幾何清理，提高計算效率。

2.2.1 抽取中面

由于實際的整車模型均為三維的殼體模型，存在一定的厚度，若直接對三維殼體結構進行電磁兼容仿真，會產生大量網格單元，且會出現網格單元形狀不均勻的情況，嚴重影響電磁兼容仿真的計算效率。同時，高頻電磁信號作用在汽車金屬外殼時產生的感應電流會出現“趨膚效應”。趨膚效應是指在微波頻率干擾下，導體電流將不會平均分布于整個導體內部，而是在導體表面附近的電流密度較大，在導體中心部分的電流密度則最小的現象。因此，在對整車進行電磁兼容仿真時，需要忽略汽車外殼的厚度，抽取中面將三維殼體結構轉化為二維平面，再對抽取中面進行處理。對于不同的類型的中面，需要采用不同的方法進行抽取，以提高抽取中面的質量。圖1為部分結構的CATIA模型和抽取中面前后的模型對比。

圖1 抽取中面前后的模型對比

2.2.2 填補孔洞和縫隙

在整車模型中，通常存在大量細小孔洞和縫隙。通過填補孔洞和縫隙，可以減少整車電磁兼容模型中的不必要網格，提高計算效率。圖2為填補孔洞和縫隙前后的模型對比。

圖2 填補孔洞和縫隙前后的模型對比

此外，在填補模型孔洞及縫隙后，需要應用Hypermesh軟件清理并填補多余的節點和公共邊。圖3為清理多余節點和公共邊前后的模型對比。在完成清理工作后，能夠大幅減少網格數量，有效簡化仿真模型。

圖3 清理多余節點和公共邊前后的模型對比

2.2.3 清理倒角

在整車外殼模型中，通常采用倒角來連接不同平面。如果保留倒角，直接對網格進行劃分，將產生大量不規則的網格，嚴重影響電磁兼容仿真的計算效率。因此，在建立汽車電磁兼容仿真模型時，需要去除倒角，減少模型的網格數量。圖4為清理倒角前后的模型對比。

圖4 清理倒角前后的模型對比

在清理倒角后，獲得的網格數量較少，且網格劃分形狀也更加規則，如圖5所示。

圖5 清理倒角前后的網格劃分對比

2.2.4 補面

在整車模型中還存在一些形狀不規則的曲面。在確保不影響電磁兼容仿真計算結果的前提下，可將其刪除，并補充為平滑曲面，該方法能夠有效減少不必要的網格數量。圖6為對不規則曲面進行補面前后的模型對比。

圖6 對不規則曲面進行補面前后的模型對比

經過上述抽取中面、填補孔洞及縫隙、清理倒角及補面處理后，最終得到的整車級電磁兼容仿真模型如圖7所示。

圖7 整車級電磁兼容仿真模型

相較于原始模型，經過上述建模優化流程獲得的電磁兼容仿真模型的網格數量由數千萬個降低至數萬個，大幅提高了整車級電磁兼容仿真的計算效率。該模型可用于整車輻射發射、輻射抗擾等計算機輔助工程(CAE)電磁兼容仿真。

3 結語

針對整車級電磁兼容仿真問題，提出了基于電磁兼容仿真模型的建模優化流程。同時，在Hypermesh軟件中對現有設計模型開展幾何清理工作，并結合實例對幾何清理的效果進行了展示。制定了一套整車級電磁兼容仿真模型的建模流程，為實現整車級電磁兼容仿真預測提供了良好的基礎。該建模流程簡單快捷，具有可重復性，對減少汽車車型的開發成本和縮短開發周期具有參考價值。