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利用仿真技术开发验证密封容器的最佳方法

2015/12/3    来源:ANSYS    作者:Mark Jones      
关键字:ANSYS  ANSYS Maxwell  仿真技术  
本文介绍了西北太平洋国家实验室利用仿真技术开发出执行核武器控制条约时验证密封容器的最佳方法。

    《新削减战略武器条约(New START)》于2010年签署,旨在减少美国和俄罗斯军械库的战略导弹发射器和核弹头数量。该条约的实施要求监控发射器与弹头的数量和位置。未来的核武器削减条约很可能要求监控弹头与弹头部件并且核查弹头拆除情况。

 为了在武器拆除过程中采取监管措施,必须在不开封的情况下查明封闭金属容器里的内容。西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究表明利用密封金属容器的低频电磁签名通过是或否的方式即可核定是否存在特定部件,且不会泄露机密信息。

 利用环绕的电磁感应线圈产生穿透容器的磁场以获取电磁签名。容器内的物体对磁场做出响应生成一个响应场,再通过线圈阻抗的变化从外部测量响应场。

 利用ANSYS Maxwell进行仿真有助于针对各种不同类型的核容器优化线圈的设计和激励频率。

 在2012年,美国国务院宣布“未来在制定进一步地减少核武器的新条约时,协商重点可能从以前的战略运载系统转移到对核弹头的限制上。这就需要采用新的方案使对敏感信息的保护以及远程检测核设备所固有的困难保持平衡。”为了覆盖所有核材料和部件,并防止材料被转移或替换,必须实施材料核实。在武器拆除过程中,核弹头、钚核和第二级都被储存在验证当局无法打开的密封金属容器内,以避免泄露设计机密。验证过程中,必须确认某些容器含有特定的核武器部件,避免其实际上是空的或含有用来转移视线的非核材料。

 要确认容器是不是空的单凭辐射测量可能是不够的,因为使用屏蔽材料(例如铅)就能够隐藏核材料。

电磁签名技术

 在过去的几十年里,PNNL开发并演示了一种可用来快速确认核物质密封存储器中的物体的电磁签名技术。它由环绕式感应线圈所生成的低频磁场穿透金属容器壁与导电物质进行相互作用。

 铀、钚以及铅等目标材料均属于导电体,因此可利用线圈场来加以区分。容器内物体感应出的涡电流会在线圈端产生独特的阻抗签名。这个阻抗与很多因素有关,包括容器及其内部物体的尺寸、质量分布、目标方向和电磁属性。每个包含特定部件的容器以及空容器都具有自己特有的电磁签名。由于所测量到的阻抗响应取决于大量参数,因此其可以作为模板数据集来使用,这样不会泄露隐藏对象的敏感设计特性。

 图1 封闭金属容器内各种金属球体的仿真阻抗签名

图1 封闭金属容器内各种金属球体的仿真阻抗签名

仿真线圈阻抗

 最近该技术的功能又重新被各种验证和检查应用所青睐,因此PNNL的研究人员使用ANSYS Maxwell中的涡电流求解器高效地对容器和磁场的相互作用进行建模。他们使用ANSYS Optimetrics实现了自动化的参数仿真。基于仿真的方法对于这项工作来说很有必要,因为物理构建各种线圈的原型并测试其性能需要一定的成本和时间。而且,测试数据提供的与所含物体进行磁场相互作用方面的直接信息比较有限,而这些信息又对线圈技术的成功应用起到重要作用。Maxwell是进行这一分析的理想选择,因为该软件过去已经为PNNL针对类似问题提供过精确结果。

 此外,Maxwell还能从统一的界面访问2D和3D求解器。感应线圈具有旋转对称结构,因此工程师只需完整线圈和容器的一个横截面即可使用2D仿真快速计算线圈阻抗和磁场。

 为确定给定封闭金属容器的线圈设计参数,PNNL研究人员扫描线圈频率并针对空容器将结果标准化,通过这种方式仿真容器内各种测试对象的阻抗签名。一种情况下是AT-400R不锈钢容器,该容器采用了双层容器壁结构,内壁与外壁之间有绝缘材料。

 测试对象包含一系列不同直径和金属类型的固体金属球。在100Hz至3kHz的范围内扫描线圈频率,从而创建阻抗迹线。对于给定的金属类型,最小的测试对象会产生最小的阻抗变化,然而最大的球体则会产生最大的阻抗变化。所有响应会随频率的增大而趋向于图形的中心位置。

责任编辑:吴星星
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