항공기 낙뢰, EMP 시뮬레이션 설정(Using CST Studio Suite)

그림 1은 Cable 하네스를 포함한 항공기의 3D LEMP(낙뢰, EMP) 시뮬레이션 모델을 보여줍니다. Cable 하네스는 파란색 Cable 경로와 파란색 및 노란색 노드로 표시됩니다. 노란색 노드는 Cable 전류가 LEMP 시뮬레이션 모델의 3D 오브젝트로 흐르도록 합니다. 노란색 노드에 있는 빨간색 큐빅 프레임은 2023 버전부터 CST Studio Suite에서 사용할 수 있는 Cable 포트를 표시합니다. 항공기 외부의 파란색 전선은 포트 1(빨간색 원뿔로 표시됨)에 낙뢰 전류 파형을 주입할 수 있습니다. TLM solver의 경우 시뮬레이션 도메인의 Open boundary(여기에는 표시되지 않음)가 리턴 컨덕터 역할을 합니다.

 

 

그림 2는 LEMP 시뮬레이션 모델의 Cable pin load(저항 및 단락) 및 probe(P1 - P8)를 포함한 Schematic 설정을 보여줍니다. pin 1에는 Transient Task의 여기로 정의되는 낙뢰 전류 파형이 주입되는 외부 포트 1이 부착되어 있습니다. probe를 사용하면 Transient pin 전압과 전류를 각각 모니터링하여 실제 Transient 레벨(ATL)을, 마지막으로 마진[1]을 추가하여 Transient Control Levels (TCL)을 산출할 수 있습니다.

 

 

낙뢰 간접 효과 분석을 수행하기 위한 두 가지 워크플로우를 CST Studio Suite에서 사용할 수 있습니다. 아래에서는 CST Transient co-simulation 워크플로우와 CST traisnet task와 결과 결합 워크플로우에 대해 설명합니다. 첫 번째는 수년 전부터 사용 가능했지만, 두 번째는 Cable 포트가 3D로 도입된 CST Studio Suite 2023에서 사용할 수 있게 되었습니다. 이제 이 추가 기능을 통해 3D-EM-Cable Co-simulation을 3D로 실행하고 Schematic의 후처리 단계로 낙뢰 간접 해석을 수행할 수 있습니다.

 

 

CST Transient co-simulation workflow

CST Studio Suite의 낙뢰 간접 효과 분석을 위한 잘 정립된 워크플로우는 CST Transient co-simulation을 활용합니다. 일반적으로 3D 전자기(EM)와 다중 반도체 전송선(MCTL) 시뮬레이션을 양방향으로 결합합니다. 그림 3의 Schematic 보기의 Transient Task는 회로에 Cable pin load가 할당된 후 결합된 시뮬레이션을 제어합니다. 이 워크플로우의 단점은 Cable pin load와 다른 낙뢰 전류 파형이 변경된다는 점입니다. Cable pin load 또는 파형이 변경되면 Transient Task를 업데이트해야 하며, 이에 따라 3D-EM-Cable Co-simulation에 많은 시간이 소요됩니다.

 

 

 

CST transient task with combine results workflow

결과 결합 워크플로우를 사용한 CST traisnet task는 Cable 하네스가 설치된 항공기의 3D 모델을 먼저 3D에서 Scattering parameters 측면에서 특성화할 수 있습니다. 그런 다음 실제 낙뢰 간접 효과 분석은 Schematic의 결합 결과를 사용하는 Transient Task를 통해 수행됩니다. 이는 Scattering parameters가 이미 3D로 계산되었기 때문에 순수한 후처리 단계입니다. CST Transient co-simulation의 경우처럼 전체 3D-EM-Cable Co-simulation을 반복하지 않고도 다양한 Cable pin load 구성과 낙뢰 전류 파형을 쉽게 조사할 수 있습니다.

 

워크플로 단계

1단계: 그림 4에서 워크플로는 Cable 하네스가 설치된 항공기의 3D full Wave 시뮬레이션으로 시작합니다. TLM solver는 Scattering parameters 측면에서 문제를 특성화하는데 사용됩니다. 항공기 스킨의 확산을 제대로 포착하려면 3D Transient simulation을 충분히 오래 실행해야 합니다. 필요한 시간은 고정된 값이 아니므로 사용자가 평가해야 합니다. 그림 4에 표시된 항공기 시뮬레이션의 경우 각 solver가 실행되는 데 40초면 충분합니다. 이 모델에는 11개의 포트가 포함되어 있으므로 11번의 solver 실행이 필요합니다.  

 

 

 

2단계: 실제 낙뢰 간접 효과 분석은 Schematic의 후처리 단계로 수행됩니다. 이전 3D 시뮬레이션의 주파수 의존적 multi-port scattering parameters를 Transient lightning simulation에 정확하게 포함하기 위해 벡터 피팅이 사용됩니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 사용자는 built in 방식과 IDEM 방식 중에서 선택할 수 있습니다. 대부분의 경우 built in 방식이 이미 좋은 선택입니다. built in 방법으로 만족스러운 결과를 얻지 못하는 경우에는 IDEM을 선택할 수 있습니다. 종종 IDEM은 내장된 벡터 피팅보다 더 낮은 차수와 동일하거나 더 높은 정확도의 매크로 모델을 생성합니다.

 

3단계: 앞서 언급했듯이 그림 6에 각각 다른 Cable pin load 구성과 낙뢰 전류 파형에 대해 3D-EM-Cable Co-simulation을 반복할 필요가 없습니다. Schematic에서 회로의 일시적인 작업만 업데이트하면 됩니다. 3D-EM-Cable Co-simulation의 업데이트는 Cable 하네스가 설치된 항공기 모델이 수정된 경우에만 필요합니다.

 

결론

앞서 설명한 두 워크플로 모두 장점이 있습니다. Cable pin 수가 많은 항공기 모델을 분석해야 하지만 LEMP 시뮬레이션을 하나 또는 몇 개만 수행해야 하는 경우에는 CST Transient co-simulation 워크플로우가 선호될 수 있습니다.

 

사용자가 다양한 Cable pin load 구성과 다양한 파형을 분석하는 데 관심이 있는 경우, 특히 3D-EM-Cable Co-simulation을 각 케이스마다 반복할 필요가 없기 때문에 결과 결합 워크플로우가 포함된 CST traisnet task 워크플로우가 선호될 수 있습니다. 또한 긴 펄스 지속 시간(예: 500us 이상)은 CST Transient co-simulation을 위해 며칠이 아닌 몇 초 만에 해결할 수 있습니다.

 

이제 사용자는 LEMP 시뮬레이션을 위한 두 가지 워크플로우를 사용할 수 있으며, 조사 중인 사례에 따라 올바른 선택을 해야 합니다.

 

References

[1] "Protection of Aircraft Electrical/Electronic Systems against the Indirect Effects of Lightning, " Advisory Circular AC 20-136B, Federal Aviation Administration, 2011.

 

본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

원본 : https://r1132100503382-eu1-3dswym.3dexperience.3ds.com/community/swym:prd:R1132100503382:community:39/post?content=swym:prd:R1132100503382:communitypost:HMv6DLSgRrubevyI-kgVKw