High-fidelity multi-scale electromagnetic virtual prototyping

L'obiettivo di questo progetto è sviluppare un ambiente virtuale in grado di analizzare il comportamento elettromagnetico (EM) di strutture complesse 3D di forma arbitraria, multi-scala e di grandi dimensioni, al di fuori della capacità dei tools software commerciali. L'obiettivo principale è un’analisi user-friendly dell'oggetto in esame, dove il disegno CAD è importato, discretizzato e analizzato dal punto di vista elettromagnetico, senza il bisogno di intervento umano per semplificare il modell originario.

II background di questo lavoro è l’analisi full wave nel dominio della frequenza di strutture 3D, in cui le equazioni di Maxwell sono risolte con un Boundary Element Method (BEM), in modo che le incognite sono presenti solo sulle superfici della struttura. Negli ultimi anni il BEM è diventata la tecnologia vincente per le strutture grandi e complesse, come in problemi di tipo navale, aerospaziale, satelliti, e antenne. Infatti anche in tools software inizialmente basati solo sugli elementi finiti (equazioni di volume), sono state introdotte tecniche di superficie per essere in grado di trattare problemi complessi e di grandi dimensioni. Il problema EM è formulato mediante un’equazione integrale (IE), dove l'incognita è il campo/corrente sulla superficie della struttura. Quindi l’IE viene discretizzata in un sistema lineare attraverso il metodo dei momenti (MoM): la superficie è discretizzata in celle, e l'incognita è descritta come combinazione lineare di opportune funzioni di base, definite sulle celle.

Il tema di interesse del progetto è l'analisi EM di strutture di grandi dimensioni discretizzate con un mesh fitto, dove il numero di incognite per lunghezza d'onda è elevato, e la dimensione delle celle del mesh non è uniforme, a causa della geometria complessa. Verrà effettuata un’analisi in frequenza a banda larga, con particolare attenzione alle basse frequenze (ad esempio, VLF, LF). Esempi tipici di questo tipo di problemi sono: analisi di antenne e array, posizionamento di antenne su piattaforme complesse, e scattering da strutture complesse. II principale obiettivo è colmare il divario tra il modello CAD meccanico originario e il modello utilizzabile per la discretizzazione, al fine di ridurre la fase di “pulitura” del CAD e di conseguenza ridurre notevolmente i tempi di progettazione. Inoltre, un solo modello di mesh dovrebbe essere utilizzato per un elevato intervallo di frequenze in modo da consentire un’analisi a banda larga e garantire la riusabilità del modello. Ovviamente molti dettagli geometrici aumentano il numero complessivo delle incognite e le richieste computazionali; inoltre problemi fortemente multi-scala sono più complessi da trattare che problemi con lo stesso numero di incognite, ma senza dettagli. Per superare questi limiti, la prototipazione virtuale che si sta sviluppando utilizzerà una rappresentazione multi-scala sistematica della soluzione, applicando differenti approcci su scale diverse. Inoltre, per garantire un’elevata accuratezza delle caratteristiche EM simulate, innovative tecniche di integrazione saranno studiate e implementate per valutare gli integrali reazione nel MoM. Questi schemi di integrazione tratteranno integrali singolari e fortemente singolari che coinvolgono potenziali di tipo Helmholtz e relativi gradienti.

Advanced Computing and Electromagnetics