雷電是危害性極強的自然放電現象，高電壓和大電流是它的兩個主要特征。設備遭受雷擊基本上都會有電磁效應、電流效應、熱效應、受力效應四種效應。不同問題考察不同的效應。這些效應會產生強電磁脈沖、局部強渦流/過熱(點火源)、縫隙擊穿或打火、線纜耦合、結構破壞等現象 。這些現象都可以通過不同程度的仿真進行評估和考察。 

仿真分析可覆蓋雷電附著評估、防雷系統設計、電結構阻性/安全性分析、雷電電磁環境評估、線纜感應評估、防雷設計方案論證等。可在不同階段進行考察，例如：雷電防護的設計階段，雷電防護功能的驗證階段，指標性考察階段。 

對雷電產生的各種物理效應，可以通過不同的仿真手段進行實現。

附著點仿真：

針對雷電防護，首先考察的是雷擊的附著點，也就是看雷電先擊到那塊。通過雷電環境下的電場\電勢分布，結合一定的理論模型，就可以有效的仿真雷電的附著點。可以為雷電防護的初步設計提供參考。

圖1為附著點仿真，模型的電勢分布和電場分布。

                                                                             a模型及路徑分析

                                                                  b電勢分布                                 c電場分布

                                                                                 圖1雷擊附著仿真 

強電磁脈沖仿真 ： 

雷電流流過設備，因設備存在一些尖銳金屬結構或狹窄縫隙等，會產生強電磁脈沖，對設備內部電磁儀器有造成威脅，嚴重時會癱瘓電子設備。

考察時對設備內部空間所有地方進行電磁場仿真計算，劃分內部電磁場強弱區域及等級。找出強場強區域，分析強場強區域的波形是否突變，若沒有突變設計合理；若有突變，分析周圍結構、縫隙等是否合理。分析結束后制定相應的防護措施。

圖2為某設備內部因雷電產生的強電場脈沖仿真波形。

                                                                             圖2某設備內部產生的電場脈沖

局部強渦流/過熱(點火源)仿真 ： 

一般由于局部阻抗過高，導流不順暢，導致電流不能夠及時導走，電荷聚集發熱，有可能局部溫度過高，會對設備局部造成熔蝕或成為燃油蒸汽的點火源多數情況下局部強電流和過熱是伴生關系，所以可以一起考察。

可以通過結構的電流分布或溫度分布來考察，劃分電結構電流密度與溫度的區域和等級，分析最強電流密度和溫度區域的電流和溫度大小，判斷是否會造成局部熔蝕或成為點火源，進而分析結構是否需要優化及其相應的防護措施。

圖3為某型號金屬網遭雷電時電流仿真及溫度仿真。

                                                       a電流分布                                 b溫度分布

                                                       圖3某型號金屬網遭雷擊的電流分布和溫度分布

縫隙擊穿或打火仿真： 

縫隙擊穿或打火是由于時變電流集膚效應引起的，時變電流分布主要聚集在金屬材料的邊緣或表面，縫隙這種特有的結構極容易使其電流在縫隙兩邊大量聚集，致使有大量電荷聚集，造成縫隙兩邊有較強的電勢差，電勢差大到一定程度就會出現擊穿或打火現象。 

可以考察空間電場，分析所有縫隙之間電場強度，積分計算可以產生的電勢差，判斷是否可以擊穿或者打火，成為點火源。進而判斷是否需要對結構進行優化。也可以考察因結構失效（制造偏差、老化、磨損、腐蝕以及可能的損傷）是否會產生的擊穿或者打火。

圖4為典型開縫金屬板雷電流流過后的電流分布和電場分布。

                                                       圖4典型開縫金屬板通雷電流后的金屬板的電流分布和空間電場分布

線纜耦合仿真： 

雷電直擊飛機，電流從飛機的金屬表面流過，在設備內產生一定的空間電磁場，空間電磁場對內部線纜有一定的耦合作用。由于雷電流時變特性，導致雷電流有一定的集膚效應，大部分電流會沿著設備的外表面進行傳導，只有部分低頻電流分量會傳導到設備的內部，產生一定的電磁場。若設備有一定的開口，雷電流在空間產生的電磁場也會通過開口繞射到設備內部，改變設備內部電磁場分布。因此內部空間電磁場的大小與機載設備的材料厚度，設備的封閉性有關，進而影響內部線纜的感應電流和電壓。 

通過計算出來的空間電磁場分布以及線纜耦合理論，計算分析不同線纜結構、不同線纜位置、不同線纜長度的感應電流和電壓。劃分危害等級制定相應的防護措施。

圖5為筒段艙段內外的電流分布。

                                                        a 內外電流分布                 b金屬切面電流分布

                                                                          圖5筒段艙段電流分布

圖6為全封閉筒段艙段與艙段上有孔的磁場線分布。

                                                      a 封閉艙段（雷電直擊）        b孔縫耦合（雷電直擊）

                                                       a 封閉艙段（雷電閃落）    b孔縫耦合（雷電閃落）

                                                                         圖6雷電的孔縫耦合機理

圖7為不同筒厚度內部線纜的感應電壓和感應電流。

                                                                             圖7艙段內的線纜感應電流和電壓

受力仿真：

結構在遭受雷擊時，在電流效應時常常伴隨有電磁力的作用對結構進行破壞。圖8金屬結構打結后的受力分布。

                                                                              圖8金屬結構打結后的受力分布

小結：

仿真目的是致力于解決實際的工程問題，仿真與試驗緊密結合，不斷追求趨近真實的求解，可以有效的解決各類雷電防護實際問題。 

仿真結果可以幫助我們縮短試驗周期、減少試驗次數、完善系統設計、優化或驗證設計方案等，可直接降低試驗成本、提高研發效率、縮短研發周期、減小研發成本等，亦可對防雷系統/產品提供強大的理論支撐。 

來源：愛邦電磁