避免频繁雷击

作者:巴西弗洛里亚诺波利斯ESSS副总裁Marcus Reis和高级技术咨询师Juliano Fujioka Mologni; ANSYS高级应用工程师Ryan Magargle与合同专员Thomas Matich。

里约热内卢的救世主基督像频遭雷击。多物理仿真能帮助预测可能受损的位置,便于随后安装避雷针,保护这一国家瑰宝。

Save PDF 订阅
Lightning Strikes More than Once

里约热内卢的救世主基督像每年吸引近200万游客,被视为现代世界的七大奇迹之一。雕像的建筑始于1922年,1931年完工。它高30米,宽28米,重635公吨。由于自身高度因素,以及坐落于710米高山顶俯瞰市区的位置雕像频遭雷击。Engineering Simulation and Scientific Software (ESSS),是ANSYS在南美的一家优秀渠道合作伙伴,他们使用ANSYS软件在虚拟环境中重现了近期的一次雷击,以分析其对雕像的影响。

Lightning risk for Christ the Redeemer

使用ANSYS软件通过确定累计的电荷强度分析雕像不同部分被雷击的概率。红色代表有高雷击风险的区域。

工程与艺术的契合点

该雕像的设计得益于法国雕塑家Paul Landowski的灵感。巴西工程师Heitor da Silva Costa和法国工程师Albert Caquot随后使用Landowski的设计规划建造。雕像的内部结构采用钢筋混凝土,外层覆盖三角形皂石砖。艺术与工程的交汇造就了这一不朽且令人叹为观止的名胜建筑。

ANSYS Workbench workflow
用于该多物理仿真的ANSYS Workbench工作流

雷击损伤

选择皂石是由于它自身的延展性和弹性的特性。但尽管具有弹性,经年累月的雷击还是造成了严重的损伤。避雷针有助于防止雷击命中雕像本体,但即便有这样的安全措施,每年平均还是会有五次雷击击中雕像。2010年雷击造成的损坏加上浸水损害因面部和手部遭雷击再次受创。损伤极为严重,工人们耗时四个月进行维修并额外加装了避雷针。

web
 

仿真雷击

当两个物体间的电荷大到足以将空气电离时就会发生雷击,使大量电流从较高电位流向较低电位。防范和缓解雷击是避雷系统设计工作的重点关注领域。避雷针的作用是以受控的方式引导雷电,防止其与受保护建筑物直接相互作用。避雷针末端纤细,能够将累积电荷聚集至高密度水平,这使得避雷针成为易遭雷击的目标。避雷针通过与粗铜缆相连,为接地提供了安全路径,将电荷从建筑物上导离。

为判断雷击对救世主基督像的影响,ESSS使用ANSYS Q3D Extractor与ANSYS Maxwell 开展静电分析,以及采用ANSYS HFSS 进行电磁瞬态分析。这三种产品的关键特性在于自动自适应网格剖分技术,用户只需要设定几何结构、材料属性和所需的输出即可。这种鲁棒性网格剖分功能无需构建和加密有限元网格,能够节省大量的时间。此外ANSYS HFSS还新增了一项特性,即隐式FEM电磁瞬态求解器,能够以极快的速度求解雷击和静电放电等电气问题。

web
 

静电分析

ESSS仿真显示出容易遭雷击的区域,即避雷针最能发挥效果的区域。该雕像位于地电位上。当接触来自云层的高电位时,就会积累大量电荷。分析结构上的累积电荷密度就能够确定电荷高度聚集的位置,也就是最有可能为电离流光提供接触点的位置,进而引发雷击。使用ANSYS Q3D Extractor和ANSYS Maxwell开展静电分析,有助于判定避雷针的最佳布局与数量,发挥最大防护效果。

Lightning rods on statue
ANSYS软件显示加装避雷针的效果及其布局。部分避雷针转移雷击电荷的作用微乎其微。

瞬态电磁场分析

将雷击建模为脉冲形态的电流源,一般表达为时间上的双指数脉冲。仿真将雕像的触点作为雷击电流路径,而不是雷击等离子电弧的形成。这样便于工程师研究弧后阶段雷电的影响。得出雕像整体的电流分布再使用ANSYS HFSS,通过ANSYS Workbench结合ANSYS Mechanical识别出雷击发热效应造成的温升。使用结构热分析,团队掌握了避雷针的变形损伤情况。ESSS工程师采用ANSYS HFSS计算出金属部分的表面损耗密度以及介电部分的体积损耗密度。这些损耗随即用做热和机械疲劳分析的输入,帮助评估雕像的总体结构完整性。

工程仿真是设计新结构,维护、修复历史建筑和艺术品,防止劣化的宝贵工具。因为时间原因和环境因素的影响,从仿真中获得的深入理解能够有助于采用低成本方式保护这些奇迹,供子孙后代继续欣赏。

Structural deformation of lightning rod
一根避雷针的结构变形仿真
web
 

web
 

与 ANSYS 取得联系

联系我们
联系我们