孫永強

(四川永帥工程勘察設(shè)計有限公司 重慶分公司，重慶 400050)

化學合成高強材料的主要構(gòu)成為至少2種化學與物理性質(zhì)不同的物質(zhì)，由此構(gòu)成了多相固體材料，將其進行組合構(gòu)建具有增強體的新型性能材料——復合材料，有了各種新性能材料的作用于協(xié)同效應(yīng)，那么化學合成高強材料——復合材料的性能比原材料的性能更優(yōu)，讓材料不同的要求逐步得到滿足。材料基體大概可以分為高分子、金屬類及非金屬類的材料，且金屬基體比較常用的就是合金、鎂、鋁等；非金屬基體材料大約又可以分為陶瓷、橡膠與樹脂等材料；高分子復合增強材料的類型有石棉纖維、玻璃纖維與碳纖維等等。其中用量最大與應(yīng)用范圍最廣的就是纖維增強材料，主要因為其密度不大、比強度比模量更改，具有良好的抗疲勞性，設(shè)計學強、具有良好的耐腐蝕性能，有利于大面積整體成型。化學合成高強材料因其優(yōu)越的綜合性能，在飛機上已獲得大量應(yīng)用。

為了確保可以順利地推動機載電氣設(shè)備的穩(wěn)定運行，復合材料的飛機機身需要對接地回流網(wǎng)絡(luò)，以此保證機上電氣系統(tǒng)可以達到接地方面的需要，還可以立足復合材料飛機接地回流，讓回流網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)壓降計算問題逐步得到解決；對安裝在復合材料飛機上的接地回流網(wǎng)絡(luò)進行建模，建立簡化模型對網(wǎng)內(nèi)壓降進行分析，可通過其仿真計算結(jié)果為復合材料為設(shè)計電氣保護系統(tǒng)設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計安裝提供相應(yīng)的借鑒[1]。在分析纖維增強樹脂基復合材料在直升機的應(yīng)用現(xiàn)狀時，認為纖維增強復合材料因其相關(guān)特征及種類特性，在直升機上實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用,對直升機技術(shù)的進步起著重要作用，同時也對直升機應(yīng)用復合材料的未來發(fā)展趨勢有展望意義[2]。隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，單一材料所表現(xiàn)出的特征性能已不能滿足飛機材料的使用要求，復合材料所表現(xiàn)出的高強度、高耐溫、高模量及低密度等顯著性能恰好滿足了這一要求[3]。復和材料具有優(yōu)異的性能，因此其被廣泛應(yīng)用在提高飛機主體結(jié)構(gòu)材料中；但也存在一些問題，比較常見的就是無法保證復合材料飛機主體結(jié)構(gòu)構(gòu)成導電通路，也無法保證內(nèi)部電氣系統(tǒng)的接地性能，還需要技術(shù)人員設(shè)置額外的電氣結(jié)構(gòu)。本次研究配合構(gòu)建了電氣設(shè)計軟件技術(shù)與通路模型，對復合材料飛機電氣結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲的設(shè)計及優(yōu)化方法進行合理地規(guī)劃[4]。

1 飛機電氣結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲的技術(shù)架構(gòu)

從20世紀60年代開始，美國就提出了復合材料在航空中的運用研究 ，直到現(xiàn)在，各種高性能復合材料已成功運用在A350XWB、A380及波音787等大型飛機上。高性能復合材料,尤其是碳纖維增強樹脂復合材料在飛機上的大量應(yīng)用已成為衡量現(xiàn)在民用機先進性的一項重要指標,其性能具有突出的韌性、可回收性以及低成本等相關(guān)優(yōu)勢，在航空領(lǐng)域取得了顯著的應(yīng)用效果[5]。目前，飛機先進性的主要標志就是復合材料技術(shù)的制造水平，這也帶動了飛機制造業(yè)整體性能技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)飛機主要結(jié)構(gòu)為金屬材料，其主要功能是防止設(shè)備之間產(chǎn)生電磁干擾，提供電源電流往返通路，在保障飛機安全方面，比較關(guān)鍵的一環(huán)就是搭接與電接地，因此系統(tǒng)運轉(zhuǎn)受到合理搭接與接地的影響，更容易受到電磁干擾，對飛機的安全產(chǎn)生較大的威脅[6]。如空客A350XWB就有超過54%的機體采用混合材料結(jié)構(gòu)制造，使用了大量的復合材料，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益；通過A350XWB立足不同的使用功能與區(qū)域，在不同機身構(gòu)建導電網(wǎng)絡(luò)機身，比較常見的就是電氣結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)ESN技術(shù)，就是利用現(xiàn)有的特定的ESN部件及金屬結(jié)構(gòu)部件，給飛機提供了電流回路、閃電與靜電防護，為飛機用電設(shè)備基準的建立奠定基礎(chǔ)[7]。

空客A350XWB在機翼、尾翼、尾錐等部位大部分由復合材料制造構(gòu)成，其中金屬設(shè)備連接后可以構(gòu)成電氣結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，主要用于故障電流路徑、設(shè)備通路與靜電放電保護之類的功能[8]。A350XWB電流接地網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分別為電氣結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)ESN和金屬搭接網(wǎng)絡(luò)MBN。

圖1 A350XWB電流接地網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 A350XWB current grounding network diagram

由圖1可以看出，ESN模塊主要是由電纜、線槽、接頭及相關(guān)定制結(jié)構(gòu)配件組成的電氣結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)組成，在飛機中用于防雷、防靜電、負載保護和電勢基準等功能；MBN模塊是由使用復合材料結(jié)構(gòu)的電氣結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)組成，有防雷、防靜電、負載保護和開關(guān)量的使用功能，ESN和MBN共同連通形成了整機的電氣接地網(wǎng)絡(luò)[9]。

在電回路結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，MBN是由部件本身的原有金屬結(jié)構(gòu)和特殊工藝復合材料組成；ESN由原有金屬結(jié)構(gòu)的另一個組成部分特殊設(shè)計的ESN零部件構(gòu)成，比較常見的內(nèi)容有柔性接頭、金屬線槽、ESN等零部件。本研究借鑒其他設(shè)計工作流程，構(gòu)建了三維設(shè)計通路模型，在綜合分析對比中優(yōu)化設(shè)計了ESN路徑[10]。

復合材料中導電性能不理想的是以碳纖維增強樹脂復合材料為代表的復合材料，其不能在飛機設(shè)備上構(gòu)成導電網(wǎng)絡(luò)。為了保障飛機性能的安全，必須做好金屬部件的布置，比如將其與ESN連接，可以保證復合材料在飛機上進行搭接與接地，讓飛機的安全性能得到滿足[11]。

2 引入復合材料后的飛機電氣結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲

目前使用三維設(shè)計軟件進行線束通路模型設(shè)計是飛機綜合常用方法，該方法通過與電氣設(shè)計軟件進行數(shù)據(jù)協(xié)同，設(shè)置相關(guān)布線的規(guī)則，自動計算出最合理的敷設(shè)拓撲。 ESN 在復合材料飛機中具有電腦傳輸與有機信號的載體功能，ESN給其提供了電流回流路徑，為接地與搭接功能的實現(xiàn)提供良好的條件。本身ESN電器信號傳輸屬性優(yōu)良，ESB拓撲設(shè)計及其優(yōu)化和普通線路的布線與通路規(guī)劃相似性較高，如余度設(shè)置、最短、最優(yōu)路徑等[12]。

根據(jù)電氣設(shè)備之間的電流回路路徑越短，其電阻越小的原理，為了電氣結(jié)構(gòu)傳輸電源電流與大電流回路接地效果優(yōu)良，必須選擇電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)連接的最短路徑，可以構(gòu)建飛機接地網(wǎng)網(wǎng)格圖。通過布線程序?qū)υO(shè)備之間的最短路徑進行計算，最后得出接地網(wǎng)絡(luò)拓撲[13]。

飛機的機翼、尾錐、腹部等部分大多也是由特殊工藝復合材料制造而成，機身中復合材料電氣設(shè)備連接在一起后組成了電氣網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用在放電保護、電壓往返通路與電氣設(shè)備故障電流等方面。構(gòu)建ESN通路模型，以飛機特點為基礎(chǔ)，保證電氣設(shè)備在后設(shè)備艙中集中，發(fā)揮結(jié)構(gòu)固定與支架作用。其分為4個部分，即后機身、前機身、右機翼、左機翼等?？赏ㄟ^飛機載體設(shè)備構(gòu)建多個具有電流回路關(guān)系的典型設(shè)備，構(gòu)建通路模型，具體如表1所示。

表1 ESN 通路設(shè)備選取表Tab.1 Selection of ESN channel equipment

由表1可知，設(shè)計ESN時需要對安全空間的因素進行分析，不會在線路線槽輻射線路，通路通常一般設(shè)置在機身的中上部分或飛機航向方向上[14]，分別設(shè)置機前身、后身、左機翼、右機翼各主通道，根據(jù)結(jié)構(gòu)框架的位置確定ESN 線纜的敷設(shè)。

根據(jù)設(shè)備間的電流回路關(guān)系建立 ESN 虛擬圖，該虛擬圖需表現(xiàn)出電氣設(shè)備連接間的電流回路關(guān)系，而對于電氣信號則無需說明，典型的虛擬關(guān)聯(lián)表述如圖2所示。

圖2 虛擬ESN 網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)圖Fig.2 Virtual ESN network association diagram

由圖2可看出，在上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中得到的數(shù)據(jù)進行自動拓撲，根據(jù)線路最短和余度規(guī)則，得出在C或D等關(guān)聯(lián)設(shè)備之間的ESN最短拓撲，也是最佳路徑[15]。將相互關(guān)聯(lián)的設(shè)備之間的路徑計算后，進行適當?shù)姆治龊?，最終得到 ESN 完善拓撲圖。

ESN是飛機上復合材料中的重要一部分，是電氣設(shè)備電能傳輸重要的載體之一，ESN可以給飛機提供相當必要的電流通路路徑，為實現(xiàn)電器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接地與搭接功能提供良好的條件[16]。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲需要布置ESN零件來建立接地和搭接網(wǎng)絡(luò)，考慮ESN覆蓋面積大、設(shè)備之間電阻小的原則，保證整條拓撲連續(xù)性，可以立足上述空路徑或者通過人為的方法選擇干預路徑，補全空路徑，從而選取性價比最優(yōu)的ESN規(guī)劃拓撲，達到導通最佳的效果，具體如圖3所示。

圖3 電氣結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化流程圖Fig.3 Flow chart of electrical structure topology optimization

由圖3可以看出，在電氣結(jié)構(gòu)進行三維建模、ESN建模后，與各ESN相互關(guān)聯(lián)進行拓撲優(yōu)化，分析相關(guān)的優(yōu)化拓撲以最終得到最優(yōu)的ESN拓撲結(jié)果；對于不滿足的拓撲設(shè)計進行人為干預的ESN 拓撲后進行拓撲分析得出最終ESN拓撲結(jié)果。ESN 拓撲后可以直觀地呈現(xiàn)在設(shè)計環(huán)境中，也為方便繼續(xù)進行下一步設(shè)計工作提供了相關(guān)依據(jù)[17]。

3 結(jié)語

航空制造業(yè)中新一代飛機以“長壽命、輕質(zhì)化、高可靠、高效能”等高科技發(fā)展為主要目標，復合材料均已經(jīng)具備相關(guān)優(yōu)勢，為新一代飛機發(fā)展目標的實現(xiàn)提供優(yōu)良的途徑。因此，優(yōu)化電流回路網(wǎng)絡(luò)的建立旨在將復合材料在飛機搭接與飛機接地問題及時解決[18]。研究分析的ESN規(guī)劃方法主要是針對飛機電氣設(shè)備路徑規(guī)劃中，需對故障電流、電磁兼容之類的數(shù)據(jù)進行全面考慮，提高ESN規(guī)劃的合理性與安全性。優(yōu)化設(shè)計ESN結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模塊路徑與三維建模時可以發(fā)揮降壓分析的功能，是電流回路網(wǎng)絡(luò)中重要的組成部分，使用電氣結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)ESN分析相關(guān)的電氣性能，在復合材料飛機內(nèi)部搭建電氣結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的方法，通過優(yōu)化得出最優(yōu)的ESN拓撲結(jié)果[19]。通過反復地測試分析表明，該電氣結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲的設(shè)計和優(yōu)化方法具有可行性與有效性，提高了復合材料在飛機電氣結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)使用的安全性，對飛機的研制使用及規(guī)劃設(shè)計均具有重要的意義。