本發(fā)明涉及電磁散射領(lǐng)域，具體涉及一種計算蜂窩夾層結(jié)構(gòu)電磁散射的數(shù)值建模方法。

背景技術(shù)：

1、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為航天器外殼或內(nèi)部組件的一部分，其對電磁干擾的屏蔽效能、以及如何避免結(jié)構(gòu)本身成為干擾源，都是電磁仿真關(guān)注的重點。在實際工程應(yīng)用中，通常是將蜂窩夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計成標準的方形板形態(tài)，采用一系列標準化的測試方法以確保材料滿足特定的設(shè)計要求。在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由于其對電磁波具有一定的吸收能力，成為構(gòu)建隱形飛行器時減少雷達截面、實現(xiàn)隱身效果的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此其吸波性能優(yōu)化是研究的重中之重。

2、然而，當(dāng)深入探索蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)部變量如蜂窩單元的大小、壁面的厚度、以及芯材的材質(zhì)等對吸波效能的具體影響時，若單純依靠實際測量手段來進行結(jié)構(gòu)調(diào)優(yōu)，將面臨高成本的挑戰(zhàn)，需要花費大量人力和昂貴實驗器材才能得到所需參數(shù)。因此，利用計算機數(shù)值仿真技術(shù)研究蜂窩夾層結(jié)構(gòu)不僅可以幫助工程師快速評估設(shè)計方案，縮短設(shè)計周期，而且可以大大降低試錯成本，提高設(shè)計效率。

3、隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，極大促進了計算電磁學(xué)在工程實踐中的廣泛應(yīng)用，并產(chǎn)生了一系列用于仿真設(shè)計的電磁方法，包括有限元方法(fem)、矩量法(mom)、時域有限差分法(fdtd)、幾何光學(xué)法(go)、物理光學(xué)法(po)等。然而針對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)特有的多孔特性和各向異性多層介質(zhì)，其所引起的復(fù)雜電磁散射效應(yīng)，需采用精確的仿真技術(shù)進行深入預(yù)測與優(yōu)化。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種計算蜂窩夾層結(jié)構(gòu)電磁散射的高效數(shù)值建模方法。該技術(shù)是基于有限元方法、多層介質(zhì)積分方程、多層快速多極子技術(shù)的混合求解技術(shù)，提出一種蜂窩夾層結(jié)構(gòu)電磁散射的高效算法。

2、本發(fā)明提供的建模方法包括以下步驟：

3、步驟1：根據(jù)是否易用面網(wǎng)格剖分的規(guī)則對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進行拆分和分類，將所述蜂窩夾層結(jié)構(gòu)劃分為蜂窩結(jié)構(gòu)和位于蜂窩結(jié)構(gòu)兩側(cè)的介質(zhì)層；

4、步驟2：將蜂窩結(jié)構(gòu)建模成具有一系列阻抗片邊界條件的均勻介質(zhì)體，獲取蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部的有限元網(wǎng)格信息文件；

5、步驟3：使用三角形面網(wǎng)格剖分蜂窩結(jié)構(gòu)的外表面，獲取外表面的面網(wǎng)格頂點坐標信息和頂點編號信息；

6、步驟4：對所述介質(zhì)層進行建模和面網(wǎng)格剖分，獲得對應(yīng)的面網(wǎng)格信息文件；

7、步驟5：將步驟2至步驟4中的有限元網(wǎng)格信息文件、蜂窩結(jié)構(gòu)外表面的面網(wǎng)格頂點坐標信息、頂點編號信息和介質(zhì)層的面網(wǎng)格信息文件進行聯(lián)結(jié)，獲得蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的全局網(wǎng)格信息，完成模型的構(gòu)建；

8、步驟6：根據(jù)所述模型進行電磁散射計算。

9、進一步地，所述蜂窩結(jié)構(gòu)主要由多個單元晶胞組成，各個單元晶胞之間通過單元壁連接，蜂窩結(jié)構(gòu)的外表面包括與兩側(cè)的所述介質(zhì)層連接的接觸面以及與空氣接觸的接觸面，其中外表面通過面網(wǎng)格剖分，蜂窩結(jié)構(gòu)的內(nèi)部通過體網(wǎng)格剖分。

10、進一步地，所述步驟2包括以下內(nèi)容：

11、步驟2.1：移除蜂窩單元壁，將蜂窩結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域填充為自由空間區(qū)域，簡化為一個含有周期性零厚度阻抗面的均勻介質(zhì)體模型；

12、步驟2.2：對簡化后的蜂窩結(jié)構(gòu)進行四面體網(wǎng)格剖分，確保每個蜂窩單元的單元壁網(wǎng)格包含在四面體網(wǎng)格信息中，獲得體網(wǎng)格離散的頂點坐標信息和頂點編號信息，將頂點坐標信息存儲在filename.xyz文件，以及將頂點編號信息存儲在filename.lv文件；

13、步驟2.3：對蜂窩結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格進行分區(qū)處理，得到一個包含有每個四面體所在區(qū)域的filename.metis文件；

14、步驟2.4：提取各單元壁網(wǎng)格信息，將單元壁的三角形網(wǎng)格頂點編號存入filename.rsbc文件；

15、步驟2.5：將包括filename.xyz文件、filename.lv文件、filename.metis文件以及filename.rsbc文件集合到filename.fem總文件中。

16、進一步地，所述步驟3包括：

17、將蜂窩結(jié)構(gòu)的外表面劃分為與空氣的接觸面、與上層均勻介質(zhì)的接觸面和與下層均勻介質(zhì)的接觸面，將所述接觸面單獨進行剖分，然后，將蜂窩結(jié)構(gòu)的外表面的面網(wǎng)格頂點坐標信息和頂點編號信息存儲到新建的filename.bi_fe文件中。

18、進一步地，所述步驟4包括以下內(nèi)容：

19、步驟4.1：對兩個介質(zhì)層進行建模，提取模型的外表面，對介質(zhì)層的外表面進行面網(wǎng)格剖分，將相同類型的面輸出到同一個面網(wǎng)格文件中；

20、步驟4.2：對每個面網(wǎng)格文件進行分區(qū)處理；

21、步驟4.3：標記面網(wǎng)格屬性與編號，并設(shè)置外表面的材料區(qū)域信息，將該些編號與材料區(qū)域一一對應(yīng)，并存儲到filename.sort文件中，將介質(zhì)層的外表面網(wǎng)格的頂點坐標信息、頂點編號信息、面編號信息和面兩側(cè)材料信息存儲到一個新建的filename.bi_bi文件中；

22、步驟4.4：將filename.bi_fe文件和filename.bi_bi文件的內(nèi)容集合到filename.bi中。

23、進一步地，所述步驟5包括以下內(nèi)容：

24、步驟5.1：將filename.fem文件和filename.bi進行聯(lián)結(jié)，

25、對于有限元網(wǎng)格中分區(qū)網(wǎng)格，采用完全型二階robin型傳輸條件聯(lián)結(jié)；對于介質(zhì)面網(wǎng)格中的分區(qū)網(wǎng)格，采用介質(zhì)間斷伽略金技術(shù)聯(lián)結(jié)；而對于有限元網(wǎng)格和外表面網(wǎng)格則采用一階robin型傳輸條件聯(lián)結(jié)，通過在不同網(wǎng)格之間使用適合的傳輸條件將分區(qū)的網(wǎng)格聯(lián)結(jié)到一起，完成模型的整體連續(xù)性構(gòu)建；

26、步驟5.2：設(shè)置求解的材料參數(shù)，根據(jù)filename.sort中的材料編號順序，新建一個包含材料信息的文件：filename.mat文件，在該filename.mat文件中設(shè)置有限元區(qū)域材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。

27、進一步地，所述步驟3中，在對有限元的外表面進行面網(wǎng)格剖分時，法向方向需指向有限元區(qū)域的反方向。

28、進一步地，對兩層介質(zhì)層進行建模和面網(wǎng)格剖分時，記錄面網(wǎng)格法線方向朝外，，同時記錄網(wǎng)格法向矢量正向所指向的區(qū)域和反向的區(qū)域。

29、進一步地，所述電磁散射計算，使用伽略金匹配的方法，得到基于區(qū)域分解的混合有限元-多層介質(zhì)積分方程的矩陣系統(tǒng)：

30、

31、其中上標fe的矩陣表示有限元區(qū)域的矩陣，上標bi的矩陣為介質(zhì)積分區(qū)域的矩陣，c表示耦合矩陣,其下標fb或者bf表示有限元區(qū)域和介質(zhì)積分區(qū)域的耦合矩陣；p和q矩陣為不同介質(zhì)區(qū)域的耦合矩陣，bm(m＝1,2)矩陣為不同介質(zhì)區(qū)域的矩陣塊。該公式系統(tǒng)具有很高的靈活性，涵蓋了傳統(tǒng)的合元極方程系統(tǒng)、多層介質(zhì)積分方程系統(tǒng)以及基于區(qū)域分解的混合有限元-多層介質(zhì)積分方程系統(tǒng)。

32、本發(fā)明具有以下有益效果：

33、將蜂窩夾層結(jié)構(gòu)模型分為不易用面積分方程建模區(qū)域和易用面積分方程建模區(qū)域，其中不易用面積分方程建模區(qū)域為夾層結(jié)構(gòu)中間的蜂窩芯，該區(qū)域采用有限元方法進行體離散建模，并基于阻抗片邊界條件技術(shù)移除蜂窩單元極薄壁，將整個蜂窩區(qū)域變?yōu)楹幸幌盗凶杩蛊吔鐥l件的均勻介質(zhì)體；易用面積分方程建模區(qū)域為上下薄層介質(zhì)板，采用多層介質(zhì)目標面積分方程法進行建模。通過面積分方程可以盡可能的減小有限元計算區(qū)域，從而提高建模效率。

34、為了提高混合求解技術(shù)的計算能力，解決實際工程中電大尺寸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)仿真的問題，引入非共形區(qū)域分解方法提高該方法的計算能力，其中有限元計算區(qū)域采用施瓦茲型區(qū)域分解有限元技術(shù)，面積分計算區(qū)域采用介質(zhì)間斷伽略金方法，基于區(qū)域分解策略構(gòu)建子區(qū)域全稀疏矩陣對角塊預(yù)條件矩陣加速矩陣的求解。

35、此外使用多層快速多極子技術(shù)加速多層介質(zhì)積分方程中的矩陣矢量相乘運算。