基于无网格数值技术的高速铁路电磁兼容特性预估方法

随着我国高速铁路运输系统的蓬勃发展，为保障铁路系统的运营安全、旅客的人身安全、周边生态环境的可持续性和无线通信环境的可靠性，迫切需要对高速铁路电磁兼容和电磁干扰特性的深入研究和分析。从研究此类问题的方法的发展来看，基于计算电磁学的数值技术，在虚拟的铁路运营环境下，精确的、低成本的、高效率的模拟和仿真铁路轨道产品的电磁兼容、电磁干扰特征正成为国内外工业界的一个新的研究方向。然而传统数值方法在模拟移动目标瞬态电磁散射长期存在技术难题。本项目旨在研究建立一套新颖的数值方案来实现高速铁路系统的电磁兼容、电磁干扰特性的精确的、高效的数值预估。本项目所提方案的优势在于：利用无网格技术基于节点的特征实现对高速轨道交通系统的电磁兼容问题的精确数字建模；合理的应用相对边界条件来表征轨道交通系统的高速运动，提高仿真精度和可靠性；利用无网格法的自适应特性及坐标变换，实现待解问题域的单一离散化，提高计算仿真效率。

随着中国高速铁路运输系统的蓬勃发展，为保障系统的运营安全、旅客的人身安全、周边生态环境的可持续性和无线通信环境的可靠性，对高速铁路的电磁兼容 (EMC) 和电磁干扰 (EMI) 特性的深入研究势在必行。为了满足工业界日益增长的应用计算机模拟技术分析高速铁路系统的电磁兼容、电磁干扰特性的需求，我项目组提出了以新颖的基于径向基函数的点插值无网格法(RPIM)为数值框架，以模拟移动目标瞬态电磁散射为技术核心的电磁兼容、电磁干扰特性数值预估方案。.RPIM无网格法是近年来出现在计算电磁学领域中的一种新的方法。相比于传统数值算法， RPIM在任意边界的保形建模，多尺度解析，自适应运算等方面存在明显优势。从理论上说，它有望解决传统数值算法中长期存在的求解精度受限于离散网格的连续性、形状及尺寸的问题。然而该数值方法较新，在项目研究之前，尚未被成功用于电大尺寸、具复杂边界的不规则结构体的电磁问题的求解。因此如何充分利用无网格法基于节点的特征来对高速轨道交通系统的电磁兼容、电磁干扰问题进行精确数字建模，如何基于无网格法的离散边界，应用相对边界条件来表征轨道交通系统的高速运动，以及如何利用无网格法的自适应特性及坐标变换，避免计算区域的重复离散划分，都是本项目研究的关键。.针对这些关键性问题，项目组围绕高速铁路系统的电磁问题的数字建模、全波仿真计算、仿真结果后处理、图形化展示和关键数据分析等几个方面开展了研究。通过利用无网格技术基于节点的特征，实现了对高速轨道交通系统的车体机构的保形数字建模和多尺度解析；通过将RPIM无网格法应用于三维时域麦克斯韦方程组的求解，并引入基于分裂场和卷积的完美匹配层，实现了对轨道交通车辆在多种电磁脉冲激励下的电磁响应的仿真；通过对介质分界面上的电磁场量引入新的时域RPIM迭代公式和新型基函数，实现了对介质分界面上场量不连续性的模拟；并通过采用相对边界条件和单一化离散方案，实现了对轨道交通系统的高速运动的量化表征。.历经三年的研究和探索，项目组成功的解决了传统数值方法在模拟移动目标瞬态电磁散射问题上的技术难题，建立了基于无网格数值技术的EMC/EMI特性预估平台，为高速轨道交通系统的EMC/EMI特性分析提供了新的技术手段。项目的部分研究成果已发表于国际核心期刊和权威会议，希望能为从事高速铁路系统电子、电气仪器和设备的电磁防护设计的同行提供参考和设计依据。