烟火点火器多物理场耦合仿真分析

熊 波，曾 鑫，张 旭，胥辉旗

（1.海军航空大学，山东烟台264001；2.海军参谋部，北京100036）

电火工品具有响应迅速、发火可靠性高等优点，广泛应用于各类武器装备中。电火工品可分为：桥丝式、火花式和导电式3种[1]。

烟火点火器用于导弹涡喷发动机点火，属于桥丝式电火工品。该类火工品采用电热桥丝作为换能元，通过桥丝的电热效应引燃或引爆含能材料，换热机理为电热换能机理。火工品在设计上，关注的重点是安全性和可靠性问题。对于烟火点火器，须要重点考虑3个问题：一是能否可靠工作，即能否达到引燃装药的工作温度；二是能否具备抗高频电磁干扰能力；三是能否具备抗静电干扰能力[2-5]。

很多文献资料采用理论分析、电路仿真或数值仿真的方法对电点火器件某方面的性能进行了分析，但很少有文献对其进行多物理场耦合仿真分析[6-11]。

随着技术的发展，数值仿真软件功能越来越强大。ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。该软件可以为设计过程要求的任何场进行工程虚拟仿真。ANSYS Workbench作为目前最领先的工程仿真技术集成平台，将ANSYS软件的各个仿真模块集合在一起，可以非常方便地实现多物理场耦合仿真[12]。多物理场耦合分析的显著优点在于，从最初的激励条件求得某个物理场的结果之后，再将该结果作为激励条件输入到另一个物理场求解器进行求解，进而得到多物理场耦合的输出结果。减少了过程中人为干预的环节，仿真更加简便，结果也更加可靠。因此，本文采用ANSYS Workbench仿真平台对烟火点火器进行电磁-热多物理场耦合仿真分析。

1 烟火点火器工作原理

电火工品的点火过程可以简化为以下2 个阶段[13-15]。

1）升温阶段。在桥丝通电后，桥丝根据焦耳定律迅速升温；

2）爆炸阶段。升温后，当系统温度高于点火温度时，经过一定时间，系统发生热爆炸，点火过程结束。

烟火点火器内部电路如图1 所示。其中，A、B 端接弹上火工品供电线路，采用差分供电，可以较好地屏蔽共模干扰。C 端为接地端，与导弹地连接。输入端A、B通过电容C1、C2与地之间构成低通滤波器。

图1 烟火点火器内部电路图Fig.1 Internal circuit of the ignition device

当电火工品通入恒定电流I 时，输入功率为[16-17]：

式（1）中：P 为损耗功率；I 为电流；R 为桥丝在常温时的电阻；α 为桥丝材料温度系数；T 为桥丝温度；T0为环境温度。

当桥丝快速通电时，桥丝加热速率将比冷却速率大得多，此时可忽略热损失，能量守恒方程可化为[18]：

式（2）中：c 为桥丝材料的比热容；m 为桥丝的质量。

2 烟火点火器电路仿真

在ADS 中建立烟火点火器等效电路模型进行S参数仿真，见图2，仿真得到电路的S 参数如图3所示。

图2 等效电路模型Fig.2 Equivalent circuit model

图3 电路参数S12Fig.3 Parameter S12 of the circuit

从图3 中可以看出，随着频率增加，参数S12逐渐减低，电路呈现低通特性。频率为30 kHz 时，参数S12比峰值大约降低6 dB。由于参数S12表示的是端口1和端口2之间的功率传输系数，与电压成平方关系，桥路电阻上对应的电压幅度下降3 dB。因此，低通滤波电路的通频带约为30 kHz。

3 基于ANSYS Workbench仿真平台的电磁-热耦合仿真分析

在ANSYS Workbench 平台中建立电磁-热耦合仿真模型如图4所示。

图4 基于ANSYS Workbench的电磁-热耦合仿真模型Fig.4 Electromagnetics-thermal coupling simulation model based on ANSYS Workbench

该仿真模型包含2部分：HFSS高频电磁结构仿真模块和Steady-State Thermal 稳态热力学分析模块。HFSS 中的几何结构输出到Steady-State Thermal 的几何结构中，HFSS的求解结果输出到Steady-State Thermal中作为激励条件。

3.1 烟火点火器电磁场仿真

根据电路组成和烟火点火器的外形结构，在HFSS仿真软件中建立烟火点火器仿真模型，见图5。

图5 烟火点火器仿真模型Fig.5 Simulation model of the ignition device

由于烟火点火器的壳体通过电连接器连接到导弹壳体上，为了简化模型，将烟火点火器的壳体地设置为无限大的平面，A、B 引脚通过R、C 串联电路接地，C引脚直接接地。

烟火点火器的壳体设置为PEC 材料，3 根导线及引脚也设置为PEC材料，电路中的电阻设置为Impedance 边界条件，2 个电容设置为Lumped RLC 边界条件。

仿真得到参数S12，如图6所示。

图6 HFSS仿真得到的参数S12Fig.6 Parameter S12 obtained by HFSS

从仿真结果来看，频率为30 kHz 时，参数S12与峰值相比大约降低5 dB，与ADS 中的电路仿真结果略有差异，这可能是由导线引入的电感、电容造成的。综上所述，HFSS 仿真模型和理想电路模型得到的结果是比较吻合的。

为了得到桥丝电阻上的功率损耗，用真实的桥丝代替理想的集总阻抗边界条件。桥丝材质为镍铬合金，其电阻率为1 μΩ/m，其电导率为1×106S/m。在10 kHz 频率下，仿真得到桥丝上的电场矢量、电流密度和功率损耗密度。

桥丝中的功率损耗密度如图7所示。

在后处理中，通过场计算器计算得到桥丝两端的电压如图8所示。

从计算结果可以看出，桥丝两端的电压约为6.8 V。

通过场计算器计算得到桥丝中的电流如图9 所示。

从计算结果可以看出，桥丝中的电流为7.1A。

通过桥丝的电压、电流计算结果进一步得到其电阻约为1 Ω，与理论值吻合。可见，HFSS 仿真模型求解结果是正确的。

图7 功率损耗密度Fig.7 Power loss density

图8 桥丝两端电压Fig.8 Voltage on the bridgewire

图9 桥丝中电流Fig.9 Current in the bridgewire

3.2 烟火点火器稳态热分析

在Steady-State Thermal 仿真模块中仿真得到桥丝上的温度场分布如图10所示。

从结果可以看出，桥丝温度达到442℃。烟火点火器装药的发火温度约为300℃，因此烟火点火器能可靠发火。

图10 桥丝温度场分布Fig.10 Temperature distribution in the bridgewire

4 仿真结果分析

从烟火点火器的电磁场仿真结果来看，电路呈低通滤波特性，截止频率为30 kHz，与理想电路的仿真结果基本吻合；通过HFSS 后处理中场计算器计算得到的电阻值约为1 Ω，与桥丝阻值吻合。说明HFSS仿真模型设置是准确的。从烟火点火器的稳态热分析结果来看，桥丝温度达到442℃，高于装药发火温度，说明烟火点火器可以正常发火。

5 结论

首先，采用ADS仿真软件建立了烟火点火器的电路仿真模型，对烟火点火器的滤波特性进行了分析，结果与其指标参数吻合，验证了电路模型的正确性。

然后，基于ANSYS Workbench 仿真软件中的HFSS仿真模块，建立了烟火点火器的三维仿真模型，并进行电磁场仿真分析。从仿真结果得到的低通滤波特性和电阻值2项指标验证了三维仿真模型的正确性。

最后，采用Steady-State Thermal 仿真模块进行了稳态热分析。结果表明，桥丝温度完全可以达到烟火点火器的发火条件。

本文对烟火点火器的工作状态进行了多物理场耦合分析，验证了仿真模型的正确性。该仿真建模方法可广泛用于复杂电磁环境下电火工品的安全性和可靠性分析。与实验方法相比较，该方法具有简单、安全、高效的优点。下一步将在该模型基础上进一步分析其抗高频干扰和抗静电干扰的能力。