《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
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。
这是因为更高频率的磁场较难穿过容器壁与内部物体的相互作用。磁场图显示出在500Hz示例频率下容器壁厚度对磁场分布的影响。正如预期的一样，结果说明金属壁越厚，与容器内物体的磁场相互作用就越弱。仿真技术可用来量化容器尺寸和电磁属性的影响，并且确定利用线圈技术获得可重复结果所要求的制造公差。
图2 磁场仿真显示不同容器厚度的影响
此外，PNNL研究人员还针对封闭容器内不同类型的固体金属球体仿真了线圈阻抗。这种情况下，球体尽管尺寸相同，但导电性却不同。这样就可得到一系列类似的迹线，其中，最高电导率产生最大的线圈响应，而最低电导率则产生最小的响应。同样，随着频率的增加，这些迹线会趋向于图形的中心位置。
图3 图片显示了对于封闭容器内不同类型的固体金属球体，线圈阻抗测量值与仿真结果的重叠情况。不锈钢容器采用双层容器壁结构，内壁与外壁之间有绝缘材料。仿真结果与测量值相当吻合。
由于对容器结构进行了精心建模，测量结果与仿真结果非常吻合。仿真和测量结果均显示出线圈能够为这个频率范围内的每个对象建立独特的阻抗签名。
选择合适的操作频带是一项重要的设计决策。最佳的频率范围取决于具体场景，包括容器尺寸、结构材料和容器壁厚度的变化。容器由非磁性材料（如不锈钢或铝）制作还是由铁磁材料（例如碳钢）制成是一项重要因素。这是因为容器结构的导电率和导磁率对磁场相互作用有着很大影响。所选择的频率范围一定要使磁场能穿透容器并在内部物体中感应出可以测量得到的涡电流。此外，频率的数量要足够多，以便得出可靠的阻抗签名，但为了尽量减少测时间，频率数量也不宜过多。使用最少数量的频率有助于收集多重频率的扫描结果，从而通过平均过程提高测量精度。
图4 电磁场频率变化的影响
电磁签名测量与传的统辐射式测量方法相辅相成，可以用于武器控制条约验证以及监管链的实施。电磁签名技术不需要与容器进行物理接触，而且能够提供固有的信息屏障以保护敏感信息。电磁签名技术的基本原理是在容器上方放置环绕线圈以实现低频阻抗测量，可带来一系列的优势：测量时间短，实施成本低，操作安全且方便携带，而且可为敏感信息提供固有保护。
通过试验证明，可利用线圈区分密封的金属存储容器内不同武器装备的部件。该方法还可以用来区分隐藏核材料的不同化学成分，因为有些核材料是金属（导电体），其它的是氧化物（绝缘体），这些材料与磁场的相互作用方式不同。ANSYS Maxwell有助于实现基于仿真的高效设计方法，以便设计出最优化的线圈，用以确定密封容器里的物体。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：利用仿真技术开发验证密封容器的最佳方法
相关文章
