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O caminho da menor resistência via simulação eletromagnética

Eletromagnetismo


Este post foi inspirado na mais recente edição da revista ANSYS Advantage Magazine, você pode conferir a matéria completa aqui.

Quando um raio atinge um automóvel, a estrutura metálica fornece o caminho de menor impedância ao solo, protegendo os ocupantes do veículo contra ferimentos.

Mas, à medida que o raio passa pela estrutura ou pelos sistemas elétricos do veículo, ele pode danificar componentes sensíveis ou mesmo derreter juntas de solda.

A quantidade de eletrônicos nos veículos está aumentando, então a proteção contra raios está se tornando mais importante do que nunca.

A Fiat Chrysler Automobiles, com suporte da ESSS, parceira do canal ANSYS na América do Sul, usa o software de simulação de campo eletromagnético ANSYS para modelar descargas elétricas e prever seu impacto na eletrônica do veículo para que futuros veículos possam ser projetados para serem mais resistentes a danos.

RELÂMPAGOS E AUTOMÓVEIS

Um raio na maioria dos casos é uma descarga elétrica entre os fundos de nuvens carregados negativamente e a superfície positivamente carregada do solo.
Quando cargas negativas suficientes se acumulam sobre uma nuvem, um fluxo de carga negativa, chamado de líder escalonado, corre em direção à Terra.

As cargas positivas na terra são atraídas para o líder escalonado, então elas fluem para cima a partir do solo. Quando os líderes ascendentes e descendentes se encontram, a corrente elétrica resultante é vista como um clarão luminoso.

Os relâmpagos normalmente fluem através de estruturas condutoras que possuem alta densidade de carga, como pontas e cantos afiados, pois buscam o caminho de menor impedância elétrica.

Isso explica por que os para-raios geralmente consistem em hastes de metal pontiagudas e por que as antenas automobilísticas são um alvo de iluminação comum.

O raio que flui sobre o corpo do veículo pode induzir um campo elétrico que gera tensões e correntes nos chicotes de fiação que viajam para as unidades de controle eletrônico (ECUs).

Isso poderia prejudicar uma ou mais das dezenas de ECUs que funcionam como o cérebro do automóvel.

Os campos elétricos gerados dentro de um automóvel por um raio são altamente dependentes da geometria e da condutividade do exterior do veículo.

No caso de uma esfera perfeita, os elétrons que formam a carga se espalharão uniformemente pela superfície externa, cancelando um ao outro com o resultado de que nenhuma carga será gerada dentro da esfera.

Em um veículo com geometrias mais complexas e diferenças na condutividade de componentes, como pneus e pára-brisas, campos elétricos internos significativos podem ser gerados; determinar esses campos é uma tarefa desafiadora.

O teste físico está longe de ser uma solução ideal, porque existem poucas instalações no mundo capazes de simular um relâmpago.

O custo de usar essas instalações chega a milhões de dólares e exige a construção – e a possível destruição – de um veículo protótipo que custa centenas de milhares de dólares.

DETERMINANDO O PROVÁVEL LOCAL DA QUEDA DE UM RELÂMPAGO

Os engenheiros da FCA e da ESSS usaram pela primeira vez o solucionador eletrostático do ANSYS Maxwell para calcular a probabilidade de raios atingirem diferentes áreas do veículo.

Eles geraram um campo elétrico em todo o domínio da solução, colocando uma carga de 100 coulombs na superfície superior do modelo e 0 coulombs na superfície inferior. Quando eles solucionaram o modelo sem um veículo, a carga foi distribuída uniformemente pelo domínio da solução.

Em seguida, os engenheiros usaram um modelo CAD de um Fiat Mobi e aplicaram dados de condutividade elétrica a todos os componentes com base em dados fornecidos por fornecedores de componentes e dados publicados.

Eles criaram conexões de baixa impedância entre componentes de metal. Eles adicionaram esse modelo ao domínio da solução e repetiram a simulação do Maxwell.

O modelo do veículo fez com que a distribuição de carga fosse distorcida, e campos fortes eram evidentes em pontas afiadas e pontos elevados do veículo.

A probabilidade de um raio atingir qualquer ponto específico no modelo é proporcional à sua carga elétrica. Os engenheiros da FCA e da ESSS confirmaram que a antena é a área mais provável para o raio atingir um veículo.

DETERMINANDO EFEITOS DOS RELÂMPAGOS

Os engenheiros então usaram o ANSYS HFSS para criar uma simulação eletromagnética transitória de raios atingindo a antena do veículo.

Com base nas medições de raios realizados na Estação Morro do Cachimbo no Brasil, eles aplicaram uma descarga de pico de 45 kiloamp no veículo. Eles também criaram um caminho de retorno de baixa impedância do solo até a nuvem.

Os resultados da simulação mostraram as correntes elétricas e tensões no exterior do veículo causadas por raios, e revelaram o caminho pelo qual essas cargas fluem para o solo.

A simulação também mostrou os campos elétricos e magnéticos criados por essas correntes e as correntes resultantes nos componentes do veículo, incluindo os chicotes elétricos.
Como esperado, as maiores correntes foram induzidas em características geométricas como pontas e bordas.

No entanto, os efeitos da geometria e da condutividade do exterior do veículo nas tensões e correntes nos chicotes elétricos exigiram a simulação eletromagnética transitória em 3D para desvendar.

MELHOR COM SIMULAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Como eles poderiam simular os efeitos de um raio, os engenheiros puderam investigar o potencial de alterações no projeto para reduzir os danos ao veículo.

Por exemplo, eles planejam determinar se o aumento da condutividade de componentes de alta resistência, como pneus e pára-brisas, reduziria os campos elétricos dentro do veículo.

A FCA logo simulará componentes com diferentes condutividades e depois trabalhará com fornecedores para ver quais melhorias podem ser feitas.

Os engenheiros também planejam investigar as mudanças no chicote de fiação, como alterar o número de voltas por polegada em cabos trançados, usando diferentes tipos de blindagem para o chicote de fiação e instalando diferentes pontos de conexão entre a blindagem e o chassi.

Não há padrões para proteção de eletrônicos automotivos contra descargas atmosféricas, mas os engenheiros proativos da FCA estão usando a simulação para procurar soluções que reduzam seu impacto nas unidades de controle eletrônico automotivo, nas antenas e nos chicotes elétricos.

A simulação permite que os engenheiros prevejam com precisão a corrente gerada nos chicotes elétricos e outros componentes do veículo durante uma descarga elétrica, possibilitando avaliar possíveis melhorias no projeto em uma fração do tempo e do custo necessários para o teste físico.



Possui mais de 20 anos de atuação e reúne experiência e conhecimento em engenharia e ciência da computação, oferecendo ao mercado soluções completas em simulação computacional e desenvolvimento de software científico em engenharia. Destaca-se nas áreas de análise estrutural, fluidodinâmica, eletromagnética e simulação de partículas.


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