Удар молнии в автомобиль

Когда в автомобиль ударяет молния, металлический каркас обеспечивает путь наименьшего сопротивления для прохождения тока к земле, защищая пассажиров от повреждений. Но когда молния проходит через корпус и электрические системы автомобиля, она может повредить наиболее хрупкие компоненты или даже расплавить паяные соединения. Транспортные средства становятся все более электрифицированными, поэтому вопрос защиты от удара молнии приобретает первостепенное значение. Компания Fiat Chrysler Automobiles при поддержке ESSS использовала ANSYS для моделирования электромагнитных полей, чтобы рассчитать последствия ударов молнии и спрогнозировать их влияние на автомобильную электронику. В будущем это позволит проектировать автомобили, более устойчивые к подобным повреждениям.

На сегодняшний день безопасность, надежность и даже элементарное функционирование транспортных средств напрямую зависят от электронных систем, сбой работы которых может не только доставить дискомфорт, но и подвергнуть риску жизни пассажиров.  Более 70% ударов молнии приходятся на область тропиков, которая наиболее подвержена образованию грозовых фронтов. Представители бразильского филиала компании Fiat Chrysler Automobiles (FCA) весьма заинтересованы в том, чтобы защитить свои автомобили от ударов молнии, поскольку Бразилия является самой большой страной, находящейся в тропической зоне, и, по имеющимся данным, на ее территории происходит около 80-ти миллионов ударов молнии в год. Проверка работоспособности транспортного средства под действием разряда молнии требует больших затрат, так как инженеры вынуждены арендовать специальное испытательное оборудование и создавать прототип, который может быть разрушен в процессе тестирования. В ходе совместной работы инженеры компаний FCA и ESSS смоделировали последствия удара молнии на городском легковом автомобиле Fiat Mobi. Этот проект вышел за рамки стандартного проектирования транспортных средств.

«Инженеры использовали ANSYS Maxwell, чтобы вычислить, какие части автомобиля наиболее подвержены попаданию молнии.»

Автомобили и молнии

Молния зачастую представляет собой электрический разряд, возникающий между отрицательно заряженной нижней поверхностью облаков и положительно заряженной поверхностью земли. Когда в облаке накапливаются отрицательные заряды, они образуют поток, также называемый ступенчатым лидером. По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. В результате встречи двух потоков происходит электрический разряд, сопровождающийся яркой вспышкой.

Как правило при ударе молнии ток выбирает пути наименьшего электрического сопротивления, поэтому он проходит через проводящие структуры, имеющие высокую плотность заряда, например, заостренные элементы и углы. По этой же причине громоотводы всегда имеют острый наконечник, а автомобильные антенны наиболее подвержены удару молнии, чем остальные компоненты конструкции. Проходя через корпус, молния создает электрическое напряжение и распространяет по автомобильной проводке ток, включая всю электронику и в особенности электронный блок управления (ЭБУ). Такой разряд может повредить одну или несколько систем, выполняющих ключевые функции автомобиля.

Характер электрических полей, возникающих в конструкции из-за удара молнии, во многом зависит от геометрии внешних элементов и проводимости материалов. В случае идеальной сферы электроны, образующие заряд, будут равномерно распределяться по внешней поверхности, взаимно уничтожая друг друга, в результате чего в сфере заряд не будет генерироваться. Автомобиль имеет сложную геометрию, а его компоненты, такие как шины и ветровое стекло, имеют разную проводимость, в результате чего внутри транспортного средства могут возникать сильные электрические поля. Прогнозирование появления таких полей представляет собой сложную инженерную задачу.

Проведение натурных экспериментов – далеко не лучшее решение, так как в мире существует лишь несколько испытательных комплексов, способных имитировать удар молнии. Их использование обойдется в миллионы долларов, а также потребует создания и, возможно, разрушения дорогостоящего прототипа автомобиля.

Электростатическое моделирование показывает электростатический заряд на каждом участке автомобиля в электрическом поле (левый рисунок). Моделирование переходных процессов показывает ток, проходящий по поверхности транспортного средства в результате удара молнии (правый рисунок).
Электростатическое моделирование показывает электростатический заряд на каждом участке автомобиля в электрическом поле (левый рисунок). Моделирование переходных процессов показывает ток, проходящий по поверхности транспортного средства в результате удара молнии (правый рисунок).

Выявление областей, подверженных попаданию молнии

Сначала инженеры компаний FCA и ESSS использовали модуль для решения задач электростатики, с помощью которого была вычислена вероятность попадания молнии в различные части автомобиля. Они создали электрическое поле на области решения, задав на верхнюю плоскость модели заряд в 100 Кл, а на нижнюю – 0 Кл. Когда они рассчитали модель без транспортного средства, заряд равномерно распределился по всей области расчета.

Затем специалисты добавили CAD-модель автомобиля Fiat Mobi и задали для всех компонентов параметры электропроводимости, опираясь на данные, предоставленные поставщиками. Они поместили эту модель в расчетную область решения и провели повторный анализ в ANSYS Maxwell. Заряд неравномерно распределился по конструкции транспортного средства. Электростатическое поле на заостренных и возвышающихся участках было сильнее, чем в остальных частях конструкции. Вероятность попадания молнии в тот или иной участок модели пропорциональна его электрическому заряду. Инженеры FCA и ESSS убедились, что наиболее вероятная область попадания молнии – автомобильная антенна.

Прогнозирование последствий удара молнии

Затем инженеры использовали ANSYS HFSS, чтобы смоделировать переходный процесс попадания молнии в антенну автомобиля. Взяв за основу замеры тока молнии, полученные на башне в Морро до Качимбо (Бразилия), они приложили к транспортному средству максимальную нагрузку в 45 кА. Также был создан обратный путь низкого сопротивления от земли к облаку.

Результаты моделирования показали распределение тока и напряжения по кузову автомобиля, а также путь электрических зарядов к земле. Расчет определил силу электрических и магнитных полей, а также результирующего тока, возникающих при прохождении разряда через компоненты автомобиля, в том числе через электропроводку.  Как и ожидалось, самые высокие значения силы тока были на геометрических элементах, таких как заостренные кромки и грани. Однако для полного понимания того, как геометрия конструкции и проводимость материалов корпуса влияют на распределение тока и напряжения по электропроводке, требовалось 3D-моделирование электромагнитных переходных процессов.

Моделирование переходного процесса попадания молнии в антенну автомобиля.
Моделирование переходного процесса попадания молнии в антенну автомобиля.

Улучшение конструкции автомобиля

Имея возможность смоделировать последствия удара молнии, инженеры смогли определить, каким образом нужно изменить конструкцию корпуса, чтобы уменьшить возможные повреждения. Они намерены выяснить, можно ли защитить внутреннее пространство автомобиля от воздействия электрических полей, повысив электропроводность компонентов с высоким сопротивлением, таких как шины и лобовое стекло. Вскоре специалисты FCA проведут расчеты, используя компоненты с различной электропроводностью, и совместно с поставщиками определят, как можно усовершенствовать конструкцию. Инженеры проанализируют, какие изменения сделают проводку более устойчивой к воздействию, например, изменение количества витков на один сантиметр в витых кабелях, использование различных экранов, установка дополнительных точек подключения между экраном и шасси.

На сегодняшний день еще не существует стандартов защиты автомобильной электроники от попадания молнии, но инженеры FCA действуют на упреждение, используя моделирование для поиска решений по защите блоков управления электроникой, антенн и автомобильной проводки от последствий удара молнии. Инженерный анализ позволяет с точностью прогнозировать течение тока, возникающего в проводке и других компонентах ТС при ударе молнии. Благодаря этому можно провести оценку возможных улучшений конструкции, не затрачивая времени и средств на натурные испытания.

Автомобильная антенна – наиболее вероятная область попадания молнии.
Автомобильная антенна – наиболее вероятная область попадания молнии.