化学合成高强材料的飞机电气结构网络拓扑技术研究
时间：2023-02-12 21:05:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孙永强
(四川永帅工程勘察设计有限公司 重庆分公司，重庆 400050)
化学合成高强材料的主要构成为至少2种化学与物理性质不同的物质，由此构成了多相固体材料，将其进行组合构建具有增强体的新型性能材料——复合材料，有了各种新性能材料的作用于协同效应，那么化学合成高强材料——复合材料的性能比原材料的性能更优，让材料不同的要求逐步得到满足。材料基体大概可以分为高分子、金属类及非金属类的材料，且金属基体比较常用的就是合金、镁、铝等；
非金属基体材料大约又可以分为陶瓷、橡胶与树脂等材料；
高分子复合增强材料的类型有石棉纤维、玻璃纤维与碳纤维等等。其中用量最大与应用范围最广的就是纤维增强材料，主要因为其密度不大、比强度比模量更改，具有良好的抗疲劳性，设计学强、具有良好的耐腐蚀性能，有利于大面积整体成型。化学合成高强材料因其优越的综合性能，在飞机上已获得大量应用。
为了确保可以顺利地推动机载电气设备的稳定运行，复合材料的飞机机身需要对接地回流网络，以此保证机上电气系统可以达到接地方面的需要，还可以立足复合材料飞机接地回流，让回流网络网内压降计算问题逐步得到解决；
对安装在复合材料飞机上的接地回流网络进行建模，建立简化模型对网内压降进行分析，可通过其仿真计算结果为复合材料为设计电气保护系统设计与网络设计安装提供相应的借鉴[1]。在分析纤维增强树脂基复合材料在直升机的应用现状时，认为纤维增强复合材料因其相关特征及种类特性，在直升机上实现了广泛应用,对直升机技术的进步起着重要作用，同时也对直升机应用复合材料的未来发展趋势有展望意义[2]。随着我国航空航天事业的发展，单一材料所表现出的特征性能已不能满足飞机材料的使用要求，复合材料所表现出的高强度、高耐温、高模量及低密度等显著性能恰好满足了这一要求[3]。复和材料具有优异的性能，因此其被广泛应用在提高飞机主体结构材料中；
但也存在一些问题，比较常见的就是无法保证复合材料飞机主体结构构成导电通路，也无法保证内部电气系统的接地性能，还需要技术人员设置额外的电气结构。本次研究配合构建了电气设计软件技术与通路模型，对复合材料飞机电气结构网络拓扑的设计及优化方法进行合理地规划[4]。
从20世纪60年代开始，美国就提出了复合材料在航空中的运用研究 ，直到现在，各种高性能复合材料已成功运用在A350XWB、A380及波音787等大型飞机上。高性能复合材料,尤其是碳纤维增强树脂复合材料在飞机上的大量应用已成为衡量现在民用机先进性的一项重要指标,其性能具有突出的韧性、可回收性以及低成本等相关优势，在航空领域取得了显著的应用效果[5]。目前，飞机先进性的主要标志就是复合材料技术的制造水平，这也带动了飞机制造业整体性能技术的发展。传统飞机主要结构为金属材料，其主要功能是防止设备之间产生电磁干扰，提供电源电流往返通路，在保障飞机安全方面，比较关键的一环就是搭接与电接地，因此系统运转受到合理搭接与接地的影响，更容易受到电磁干扰，对飞机的安全产生较大的威胁[6]。如空客A350XWB就有超过54%的机体采用混合材料结构制造，使用了大量的复合材料，提高了企业的经济效益；
通过A350XWB立足不同的使用功能与区域，在不同机身构建导电网络机身，比较常见的就是电气结构网络ESN技术，就是利用现有的特定的ESN部件及金属结构部件，给飞机提供了电流回路、闪电与静电防护，为飞机用电设备基准的建立奠定基础[7]。
空客A350XWB在机翼、尾翼、尾锥等部位大部分由复合材料制造构成，其中金属设备连接后可以构成电气结构网络，主要用于故障电流路径、设备通路与静电放电保护之类的功能[8]。A350XWB电流接地网络图如图1所示，该结构网络分别为电气结构网络ESN和金属搭接网络MBN。
图1 A350XWB电流接地网络图Fig.1 A350XWB current grounding network diagram
由图1可以看出，ESN模块主要是由电缆、线槽、接头及相关定制结构配件组成的电气结构和金属结构组成，在飞机中用于防雷、防静电、负载保护和电势基准等功能；
MBN模块是由使用复合材料结构的电气结构和金属结构组成，有防雷、防静电、负载保护和开关量的使用功能，ESN和MBN共同连通形成了整机的电气接地网络[9]。
在电回路结构网络中，MBN是由部件本身的原有金属结构和特殊工艺复合材料组成；
ESN由原有金属结构的另一个组成部分特殊设计的ESN零部件构成，比较常见的内容有柔性接头、金属线槽、ESN等零部件。本研究借鉴其他设计工作流程，构建了三维设计通路模型，在综合分析对比中优化设计了ESN路径[10]。
复合材料中导电性能不理想的是以碳纤维增强树脂复合材料为代表的复合材料，其不能在飞机设备上构成导电网络。为了保障飞机性能的安全，必须做好金属部件的布置，比如将其与ESN连接，可以保证复合材料在飞机上进行搭接与接地，让飞机的安全性能得到满足[11]。
目前使用三维设计软件进行线束通路模型设计是飞机综合常用方法，该方法通过与电气设计软件进行数据协同，设置相关布线的规则，自动计算出最合理的敷设拓扑。
ESN 在复合材料飞机中具有电脑传输与有机信号的载体功能，ESN给其提供了电流回流路径，为接地与搭接功能的实现提供良好的条件。本身ESN电器信号传输属性优良，ESB拓扑设计及其优化和普通线路的布线与通路规划相似性较高，如余度设置、最短、最优路径等[12]。
根据电气设备之间的电流回路路径越短，其电阻越小的原理，为了电气结构传输电源电流与大电流回路接地效果优良，必须选择电气设备结构连接的最短路径，可以构建飞机接地网网格图。通过布线程序对设备之间的最短路径进行计算，最后得出接地网络拓扑[13]。
飞机的机翼、尾锥、腹部等部分大多也是由特殊工艺复合材料制造而成，机身中复合材料电气设备连接在一起后组成了电气网络，主要应用在放电保护、电压往返通路与电气设备故障电流等方面。构建ESN通路模型，以飞机特点为基础，保证电气设备在后设备舱中集中，发挥结构固定与支架作用。其分为4个部分，即后机身、前机身、右机翼、左机翼等。可通过飞机载体设备构建多个具有电流回路关系的典型设备，构建通路模型，具体如表1所示。
表1 ESN 通路设备选取表Tab.1 Selection of ESN channel equipment
由表1可知，设计ESN时需要对安全空间的因素进行分析，不会在线路线槽辐射线路，通路通常一般设置在机身的中上部分或飞机航向方向上[14]，分别设置机前身、后身、左机翼、右机翼各主通道，根据结构框架的位置确定ESN 线缆的敷设。
根据设备间的电流回路关系建立 ESN 虚拟图，该虚拟图需表现出电气设备连接间的电流回路关系，而对于电气信号则无需说明，典型的虚拟关联表述如图2所示。
图2 虚拟ESN 网络关联图Fig.2 Virtual ESN network association diagram
由图2可看出，在上述网络结构图中得到的数据进行自动拓扑，根据线路最短和余度规则，得出在C或D等关联设备之间的ESN最短拓扑，也是最佳路径[15]。将相互关联的设备之间的路径计算后，进行适当的分析后，最终得到 ESN 完善拓扑图。
ESN是飞机上复合材料中的重要一部分，是电气设备电能传输重要的载体之一，ESN可以给飞机提供相当必要的电流通路路径，为实现电器设备网络接地与搭接功能提供良好的条件[16]。优化网络拓扑需要布置ESN零件来建立接地和搭接网络，考虑ESN覆盖面积大、设备之间电阻小的原则，保证整条拓扑连续性，可以立足上述空路径或者通过人为的方法选择干预路径，补全空路径，从而选取性价比最优的ESN规划拓扑，达到导通最佳的效果，具体如图3所示。
图3 电气结构拓扑优化流程图Fig.3 Flow chart of electrical structure topology optimization
由图3可以看出，在电气结构进行三维建模、ESN建模后，与各ESN相互关联进行拓扑优化，分析相关的优化拓扑以最终得到最优的ESN拓扑结果；
对于不满足的拓扑设计进行人为干预的ESN 拓扑后进行拓扑分析得出最终ESN拓扑结果。ESN 拓扑后可以直观地呈现在设计环境中，也为方便继续进行下一步设计工作提供了相关依据[17]。
航空制造业中新一代飞机以“长寿命、轻质化、高可靠、高效能”等高科技发展为主要目标，复合材料均已经具备相关优势，为新一代飞机发展目标的实现提供优良的途径。因此，优化电流回路网络的建立旨在将复合材料在飞机搭接与飞机接地问题及时解决[18]。研究分析的ESN规划方法主要是针对飞机电气设备路径规划中，需对故障电流、电磁兼容之类的数据进行全面考虑，提高ESN规划的合理性与安全性。优化设计ESN结构网络模块路径与三维建模时可以发挥降压分析的功能，是电流回路网络中重要的组成部分，使用电气结构网络ESN分析相关的电气性能，在复合材料飞机内部搭建电气结构网络的方法，通过优化得出最优的ESN拓扑结果[19]。通过反复地测试分析表明，该电气结构网络拓扑的设计和优化方法具有可行性与有效性，提高了复合材料在飞机电气结构网络使用的安全性，对飞机的研制使用及规划设计均具有重要的意义。
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