Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section d'électricité, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire de réseaux électriques LRE)

Simulation of electrically large structures in EMC studies : application to automotive EMC

Rubinstein, Abraham ; Rachidi, Farhad (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2957.

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    Summary
    The aim of this thesis is the study of the simulation of electrically large structures and the application of the results to automotive Electromagnetic Compatibility (EMC). The theoretical and experimental work carried out has led to the development of computational tools and to the further understanding of the mechanisms involved in the representation of solid surfaces by means of wire-grid simplifications. The work was done in the context of a European project GUIDELINES FOR ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY MODELLING FOR AUTOMOTIVE REQUIREMENTS (GEMCAR). The first two chapters of the thesis contain a description of the GEMCAR project, a brief overview of some of the existing numerical methods for electromagnetic simulations (particularly, the ones used in GEMCAR), and the explanation of efficient, general simulation strategies that can be applied to different methods. The concept of adaptive sampling and its application are also introduced there. The main original contributions of this thesis are presented in Chapters 3 through 6. They consist of theoretical and experimental work as follows. We present, in Chapter 3, a modified version of the Numerical Electromagnetics Code (NEC). This version, which we have called Parallel NEC, has been adapted to run on parallel supercomputers, taking advantage of the combined processing power and memory of several processors working as a team. Parallel NEC has been implemented in two different supercomputing architectures to test the portability of the code. The original NEC routines in charge of the calculation and filling of the interaction matrix have been modified to work in a parallel environment. The matrix is now distributed among the available processors and the elements of the matrix are locally and individually calculated by their "owners". Thus the number of integrals carried out to build the complete matrix equation gets shared, diminishing the necessary runtime for this time-consuming operation. The system of equations is also solved using a parallel version of the Gauss-Doolitle algorithm. However, the most important feature of Parallel NEC is the possibility to use the distributed memory of the processors. This allows the calculation of problems of a size never achieved before using this numerical method without the need of using disk-space as swap memory. The code has been tested with models containing over 20.000 segments, exhibiting execution times comparable to those obtained with a single-processor PC calculating models of one tenth of that size in terms of the number of segments. Parallel NEC is also able to adapt itself automatically to its environment. It will detect the number of available processors and will take advantage of all available memory and calculating resources. The validation of Parallel NEC has been carried out in two steps. First, it was validated using simulation results obtained with other numerical methods. Then, it was validated by using experimental data from the GEMCAR project. The experimental setup as well as the validation are presented in Chapter 4. With the purpose of validating the numerical models developed in GEMCAR, we participated in a number of experimental campaigns carried out at Spiez, Switzerland in 2000 and 2001 using the VERIFY (Vertical EMP Radiating Indoor Facility), an EMP simulator belonging to the Swiss Defense Procurement Agency. Measurements of electric and magnetic fields inside a real vehicle (a Volvo S80) featuring different levels of complexity were carried out. These measurements were performed at 8 different points inside the car and at two points on the surface of the body-shell. The above-mentioned levels of complexity consisted of (1) a "simple test case", comprising the vehicle body-shell (without all doors or glazing), (2) a "medium complexity case" which, this time, included the doors, and (3) a "complex case", consisting of the complete car with all mechanical, electrical and electronic equipment installed. The data used in Chaper 4 refer to the "simple test case", although the "medium test case" measurements are also available . Other partners of the GEMCAR project carried out experimental testing on the three models using other sources of illumination (see Chapters 1 and 4). It is interesting to mention for completeness that, as part of the GEMCAR project, a cable harness was installed following the approximate path of the original cabling of the car, but composed of single wires with 50 R terminations. Current measurements were made at 4 observation points located at the ends of the branches of the harness. These current measurements are not given here as the subject of this thesis was limited to field measurements and simulations only1. The developed code was applied to analyze the penetration of electromagnetic fields inside the vehicle's body shell (i.e., the simple case). The computed results agree well with those obtained with the other methods and with the experimental data obtained from measurements. The application of the code to such a large problem permitted the observation of some issues raised by the application of the so-called Equal Area Rule (EAR) for the calculation of the segments' lengths and radii. In Chapter 5, we discuss the wire-grid representation of metallic surfaces in numerical electromagnetic modeling. We present the origins and the evolution of surface wire-grid modeling and, considering two types of geometries, namely (I) a simple cube, and (2) a complex structure represented by the metallic car shell used in Chapter 4, we show that the Equal Area Rule is accurate as long as the wire-grid consists of a simple square mesh. For more complex body-fitted meshes, such as rectangular and triangular grids, the Equal Area Rule appears to be less accurate in reproducing the electromagnetic field scattered by metallic bodies. In Chapter 6 we present a theoretical development that leads, for the case of a square grid representation of a surface, to the same formula proposed by the Equal Area Rule. This development is, to the best of our knowledge, the first physical and mathematical interpretation of the EAR as of today. Our development shows, however, a different value for the radius of the segments if the representation of the surface uses other polygons, such as in the case of a rectangular or a triangular mesh. To compare the two methods (the traditional versus the new EAR), we carried out a simple numerical test and found that the Equal Area Rule does not always predict the optimum wire radius for the mesh-representation of a surface. ------------------------------ 1The interested reader is referred to: A. Rubinstein, F. Rachidi, D. Pavanello, and B. Reusser. Electromagnetic field interaction with vehicle cable harness: An experimental analysis. In International Conference on Electromagnetic Compatibility, EMC Europe. Sorrento, volume 1, Sep 2002. Proceedings.
    Résumé
    L'objectif de ce travail de thèse est l'étude de la simulation de structures électriquement grandes et l'application des résultats aux problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) dans l'industrie automobile. Les travaux théoriques et expérimentaux effectués ont permis le développement d'outils numériques et l'amélioration de la compréhension des mécanismes impliqués dans la représentation des surfaces solides en utilisant des maillages segmentés. Le travail a été effectué dans le cadre d'un projet Européen GUIDELINES FOR ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY MODELLING FOR AUTOMOTIVE REQUIREMENTS (GEMCAR). Les premiers deux chapitres de se travail de thèse contiennent une description du projet GEMCAR, une brève vue d'ensemble des quelques méthodes numériques existants pour les simulations électromagnétiques (en particulier, ceux utilisés dans GEMCAR), et l'explication d'efficaces stratégies générales de simulation qui peuvent être appliquées aux différentes méthodes. Le concept d'échantillonnage adaptatif et son application y sont aussi introduits. Les principales contributions originales de cette thèse sont présentées dans les chapitres 3 à 6. Elles comportent les parties expérimentales et théoriques suivantes. Nous avons présenté dans le chapitre 3, une version modifiée du Numerical Electromagnetics Code (NEC). Cette version que nous avons appelé Parallel NEC a été adaptée pour tourner sur des superordinateurs parallèles, profitant de la puissance de calcul et de la mémoire combinés de plusieurs processeurs travaillant en équipe. Parallel NEC a été implémenté sur deux superordinateurs aux architectures différentes pour tester la portabilité du code. Les routines originales du NEC responsables du calcul et de la construction de la matrice d'interaction ont été modifiées pour travailler dans un environnement parallèle. La matrice est désormais distribuée parmi les processeurs à disposition et les éléments de la matrice sont calculés localement et individuellement par leurs "propriétaires". De ce fait, le nombre d'intégrales calculées pour compléter l'équation matricielle se partage, diminuant ainsi le temps de calcul nécessaire pour cette longue opération. Le système d'équations est aussi résolu en utilisant une version parallèle de l'algorithme de Gauss-Doolitle. Cependant, la caractéristique la plus importante de Parallel NEC est la possibilité d'utiliser la mémoire partagée des processeurs. Ceci permet le calcul de problèmes d'une dimension jamais réalisée auparavant en utilisant cette méthode numérique sans avoir à utiliser le disque dur comme mémoire virtuelle. Le code a été testé avec des modèles contenant plus de 20.000 segments, montrant des temps d'exécution comparables à ceux obtenus avec un PC monoprocesseur calculant des modèles d'un dixième de cette taille en termes de nombre de segments. Parallel NEC est aussi capable de s'adapter automatiquement à son environnement. Il détecte le nombre de processeurs disponibles et profite de toute la mémoire et des ressources de calcul. La validation de Parallel NEC a été réalisée en deux étapes. Premièrement, il a été validé en utilisant des résultats de simulations obtenus avec d'autres méthodes numériques. Puis, il a été validé en utilisant des données expérimentales provenant du projet GEMCAR. La configuration expérimentale ainsi que la validation sont exposées dans le chapitre 4. Afin de valider les modèles numériques développés dans GEMCAR, nous avons participé à un certain nombre de campagnes expérimentales réalisées à Spiez, Suisse en 2000 et 2001 en utilisant le VERIFY (Vertical EMP Radiating Indoor FacilityY), un simulateur EMP appartenant au Groupement de l'Armement Suisse. Des mesures de champs électrique et magnétique ont été effectuées dans une véritable automobile (une Volvo S80) avec différents niveaux de complexité. Ces mesures ont été effectuées en 8 points différents dans la voiture et en deux points sur la surface de la carrosserie. Les niveaux de complexité mentionnés précédemment consistent en (1) un "cas de test simple", comprenant la carcasse du véhicule (sans les portes ni les vitres), (2) un "cas de complexité moyenne" avec cette fois-ci les portes et (3) un "cas complexe", consistant en une voiture complète avec tous les équipements mécaniques, électriques et électroniques installés. Les donnés utilisées dans le chapitre 4 se rapportent au "cas de test simple" bien que les mesures du "cas de complexité moyenne" soient aussi disponibles. D'autres partenaires du projet GEMCAR ont réalisé des tests expérimentaux sur les trois modèles utilisant d'autres types de sources d'illumination (voir chapitres 1 et 4). Il est intéressant de mentionner que dans le cadre du projet GEMCAR, un câblage a été installé suivant un chemin approché à celui du câblage original de la voiture, mais composé d'un seul fil terminé avec 50 R. Des mesures de courant ont été prélevées à 4 points d'observation localisés aux extrémités des branches du câble. Ces mesures de courant ne sont pas présentées ici puisque le sujet de cette thèse a été limité exclusivement aux mesures et simulations de champs électromagnétiques1. Le code développé a été appliqué pour analyser la pénétration de champs électromagnétiques dans la carcasse du véhicule. Les résultats numériques sont en bon accord avec ceux obtenus en utilisant d'autres méthodes numériques et avec les données expérimentales. L'application du code sur un problème de telles dimensions a permis l'observation de quelques problèmes provenant de l'utilisation de la dite Equal Area Rule (EAR) pour le calcul de la longueur et le rayon des segments représentant une surface métallique. Dans le chapitre 5, nous discutons la représentation des surfaces métalliques par un maillage de conducteurs (wire-grid) dans la simulation numérique. Nous avons présenté les origines et l'évolution de la modélisation de surfaces par des maillages, considérant deux types de géométries, à savoir (1) un cube simple, et (2) une structure complexe représentée par la carrosserie métallique de la voiture utilisée dans le chapitre 4. Nous montrons que 1'Equal Area Rule est précise pour un maillage carré. Pour des maillages plus complexes et plus adaptés aux contours du modèle, tels que les maillages triangulaires, 1'Equal Area Rule semble être moins exacte pour reproduire le champ électromagnétique au voisinage des objets métalliques. Dans le chapitre 6, nous présentons un développement théorique qui mène, pour le cas de la représentation d'une surface par un maillage rectangulaire, à la même formule proposée par 1'Equal Area Rule. Ce développement est, au meilleur de notre connaissance, la première interprétation physique et mathématique de 1'EAR de nos jours. Notre développement montre, cependant, une valeur différente pour les rayons des segments si la représentation de la surface utilise un maillage triangulaire. Pour comparer les deux méthodes (la traditionnelle vs. la nouvelle EAR), nous avons réalisé un test numérique simple. Bien que les résultats ne soient pas concluants, ils suggèrent que la nouvelle EAR (NEAR) donne de meilleurs résultats. ------------------------------ 1Le lecteur intéressé est référé à : A. Rubinstein, F. Rachidi, D. Pavanello, and B. Reusser. Electromagnetic field interaction with vehicle cable harness: An experimentai analysis. In International Conference on Electromagnetic Compatibility, EMC Europe. Sorrento, volume 1, Sep 2002. Proceedings.