基于HFSS的銅包鋼絞線損耗電阻仿真計算?

（中國船舶重工集團公司第722研究所 武漢 430079）

1 引言

銅包鋼線是以鋼線為芯體，在其表面上覆一層銅的復合線材，在性能上兼備了鋼的高強度、耐高溫軟化的機械性能和銅的導電率高、接觸電阻小的電性能，因而具有傳導效率高，材料成本低，抗拉斷力大，質量輕，耐磨損的特點［1～2］。損耗電阻是銅包鋼線纜重要的電氣性能參數，損耗電阻值的大小與銅包鋼線纜使用的材料和生產工藝有關［3～5］。文獻［6～8］通過實驗和理論推導相結合得到了直流條件下銅包鋼的直流電阻率值，并研究了銅包鋼線的電阻率隨其形變量的變化情況。

在天線工程應用中，更關注線纜在工作頻率下的損耗電阻。對于均勻導線來說，趨膚效應將引起損耗電阻的增大，但對于銅包鋼絞線這樣的復合線材［9，11］來說，高頻趨膚效應十分復雜，難以通過簡單的解析模型計算，線纜的損耗電阻與頻率之間呈現較為復雜的關系。文獻［10，12］嘗試研究了銅包鋼的導電性能的頻率特性，發現了在一定高頻情況下銅包鋼導線的導電性能會高于銅導線的高導性。

在某工程中，大量運用了銅包鋼絞線作為天線輻射體。為了提高天線的輻射效率，需要對銅包鋼絞線在天線工作頻段的損耗電阻開展深入研究。本文基于HFSS電磁仿真軟件，建立了銅包鋼線纜損耗電阻的三維仿真模型。該模型對線纜周圍空間進行截斷，形成有限封閉空間，采用電壓源激勵，運用有限元方法求解Maxwell方程，從而得到線纜的阻抗參數。通過對比不同截斷邊界大小的影響，證明了仿真模型的收斂性。

2 仿真模型

待研究的銅包鋼線纜截面如圖1所示，由21根銅包鋼單絲絞合而成。每根單絲中心為鋼材，表面涂覆有銅層。采用ANSYS HFSS電磁軟件對該銅包鋼線纜的損耗電阻進行仿真計算。在仿真模型中，銅包鋼絞線的模型按照其實際空間形狀建立。

圖1 銅包鋼線纜截面示意圖

2.1 模型建立

1）模型長度

線纜是一個特殊的傳輸和連接器件，它的使用長度和測試長度遠遠大于其橫截面尺寸。在計算機仿真建模時，線纜離散模型的網格單元尺寸受橫截面尺寸的約束，如果按照實際情況建模，那么離散模型將包含異常大量的單元數，這將直接導致計算時間和存儲量極大增加。計算機內存是有限的，只能模擬一段合適長度的線纜，這里選擇線纜高度為10mm。

2）邊界條件

圖2 HFSS線纜仿真模型

線纜損耗電阻的仿真不能當作輻射問題來處理，否則將帶來巨大的剖分單元和未知量。只能將其作為電磁內問題，在離開線纜一定距離處引入截斷邊界，采用封閉的理想導電邊界將線纜模型包圍，如圖2所示。

3）激勵源

在線纜的端口施加一個激勵源，在HFSS中為Lumped port類型，如圖3所示。

圖3 仿真模型激勵源

2.2 參數設置

經過了幾何建模、激勵和邊界條件設置后，還需要設置仿真頻率、求解模式等關鍵計算參數。具體如下。

仿真頻率設置。在此設定為30kHz。掃頻類型為離散掃頻，最低頻率為20kHz，最高頻率為30kHz，步進頻率為0.5kHz。

求解模式。在此選擇模式驅動方式（Driven Model）。

最大迭代計算次數（Maximum Number Passes）。設置該收斂判據為6。

前后兩次迭代的散射參量最大差值（Maximum delta S）。設置該收斂判據為0.02。

如圖4是線纜仿真三維模型。

圖4 線纜仿真三維模型

3 仿真結果與分析

3.1 截斷邊界對仿真結果的影響

在本文的仿真模型中，將無限大空間截斷為有限的封閉空間，需要研究截斷邊界大小對線纜仿真結果的影響。這里分別選擇截斷邊界大小為5mm、10mm、20mm、100mm、200mm。

圖5 不同邊界大小損耗電阻值變化

仿真結果如圖5所示，從圖中可以看出，隨著截斷邊界的增大，線纜損耗電阻的計算數據逐漸收斂，當截斷邊界超過20mm時，計算結果已趨于穩定。這說明本文提出的有限空間線纜模型能夠用于計算位于無限大空間的線纜損耗電阻。

3.2 銅層厚度對損耗電阻的影響

分析計算了單根銅包鋼導線的銅層厚度對銅包鋼絞線損耗電阻的影響，如圖6是20kHz時，損耗電阻隨銅層厚度的仿真數據圖。

圖6 損耗電阻隨銅層厚度變化圖

從仿真數據圖中可以看出，當銅層厚度逐漸增大時，電阻值也隨之變小，說明為了獲得更好的導電性能，應在線纜強度和生產工藝允許范圍內盡量增大銅層的厚度。

3.3 仿真值與實驗數據對比

表1 實測與仿真數據

針對某工程應用中的典型銅包鋼絞線，仿真計算了不同頻率下的損耗電阻，并與樣纜實驗測試數據進行了對比，如表1所示。可見仿真值與實驗數據吻合良好，證明了仿真模型的有效性。

4 結語

本文主要闡述了基于Ansoft HFSS電磁軟件的銅包鋼線纜損耗電阻的仿真，詳細介紹了建立線纜三維仿真模型的過程，計算了VLF頻段某型銅包鋼線纜的高頻損耗電阻，理論仿真值與實驗數據吻合良好。本文建立的銅包鋼線纜仿真模型簡單高效，可推廣應用到其他復合線材高頻損耗電阻的分析計算。