复合材料飞机电气结构网络系统电气特性分析

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31685

电子电气工程与控制

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复合材料飞机电气结构网络系统电气特性分析

杨占刚¹^,², 魏宇昊¹, 杨娟³()

^1.中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300
^2.天津市航空装备安全性与适航技术创新中心，天津 300300
^3.中国民航大学工程技术训练中心，天津 300300

收稿日期:2024-12-19 修回日期:2025-01-03 接受日期:2025-02-19 出版日期:2025-03-25 发布日期:2025-02-25
通讯作者: 杨娟 E-mail:haishi_yj11@126.com
基金资助:
天津市航空装备安全性与适航技术创新中心开放基金(JCZX-2023-KF-06)

Electrical characteristics analysis of composite aircraft electrical structure network system

Zhangang YANG¹^,², Yuhao WEI¹, Juan YANG³()

^1.College of Electronic Information and Automation，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China
^2.Tianjin Aviation Equipment Safety and Airworthiness Technology Innovation Center，Tianjin 300300，China
^3.Engineering Techniques Training Center，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Received:2024-12-19 Revised:2025-01-03 Accepted:2025-02-19 Online:2025-03-25 Published:2025-02-25
Contact: Juan YANG E-mail:haishi_yj11@126.com
Supported by:
Open Fund of Tianjin Aviation Equipment Safety and Airworthiness Technology Innovation Center(JCZX-2023-KF-06)

摘要/Abstract

摘要：

复合材料的高电阻率会影响飞机原有的导电路径，为保障飞机电气系统的正常运行，需要构建复合材料飞机电气结构网络系统模型来探究其电气特性。首先，针对电磁场下电气结构网络电气特性的计算问题，采用有限元法与稳定双共轭梯度法共同构建了电气结构网络系统模型，计算空间消耗量比部分元等效电路（Partial Element Equivalent Circuit，PEEC）法节省了63.92%。其次，通过对多类型激励源/多区域接入点组合的探究，分析了区域阻抗特性、电势分布图谱、电流密度矢量等多维度电学结果及性能影响。通过构建与测量实物模型，对实测结果与仿真结果进行了差异化分析，并验证了实测结果符合适航规章HB 6129。最后，基于实际工况角度与适航规章，对系统模型进行了接触因素系统误差分析、精细化理想模型分析和部件应力因素分析。所获结果及分析对复合材料飞机/电动飞机的电气结构网络的构建具有重要意义。

关键词: 复合材料飞机, 电气结构网络, 电气特性分析, 接触电阻, 稳定双共轭梯度

Abstract:

The high resistivity of composite materials affects the original conductive path of the aircraft. To ensure the normal operation of the aircraft electrical system， it is necessary to construct a composite aircraft electrical structure network system model to explore its electrical characteristics. Firstly， to address the calculation of the electrical characteristics of the electrical structure network under electromagnetic field， the finite element method and the stable double conjugate gradient method are adopted to jointly construct the electrical structure network system model， achieving a computational consumption reduction of 63.92% compared to Partial Element Equivalent Circuit （PEEC） method. Secondly， by exploring the combination of multi-type excitation sources/multi-area access points， the multi-dimensional electrical results and performance impacts， such as area impedance characteristics， potential distribution profiles， and current density vectors， are analyzed. By constructing and measuring the physical model， the difference between the measured and simulated results is analyzed， and the compliance with the airworthiness regulation HB 6129 is verified. Finally， based on the actual working condition perspective and airworthiness regulation， contact factor system error analysis， refined ideal model analysis and component stress factor analysis of the system model are conducted. The obtained results and analyses are of great significance for the construction of electrical structure network of composite/electric aircraft.

Key words: composite aircraft, electrical structure network, electrical characteristics analysis, contact resistance, Biconjugate Gradient Stabilized Method (BICGSTAB)

中图分类号:

V261.97

杨占刚, 魏宇昊, 杨娟. 复合材料飞机电气结构网络系统电气特性分析[J]. 航空学报, 2025, 46(16): 331685.

Zhangang YANG, Yuhao WEI, Juan YANG. Electrical characteristics analysis of composite aircraft electrical structure network system[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(16): 331685.

图/表 22

图 1

图 2

图 3

表 1

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表 2

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图 7

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表 4

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表 5

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图 14

图 15

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参考文献 38

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数名称	主导电结构		辅助导电结构（线缆）
参数名称	纵向骨架	横向骨架	辅助导电结构（线缆）
材质	铝合金	铝合金	铝合金
电导率/（10⁷ S·m^-1）	3.77	3.77	3.77
截面形状	H形	H形	圆形
截面积/mm²	600	600	19.635
单结构长度/m	10	4	12.607
结构个数	2	11	11

结构参数	结构名称
结构参数	框架	长桁	纵梁	缘条
截面积形状	圆环形	T形	口形	矩形
长度/m	3.141 6	0.002（上端）、0.03（下端）	0.03	0.003
宽度/m	0.008	0.03（上端）、0.003（下端）	0.03	0.028

结构件名称	材质	电导率/（10⁷ S·m^-1）
蒙皮	碳纤维增强基复合材料（CFRP）	0.001 5
框架	铝合金	1.734
长桁	铝合金	1.734
纵梁	铝合金	1.734
缘条	铝合金	1.734

测量区域	不同区域电流密度情况/（10⁵ A·m^-2）
测量区域	接入点组合 1-2	接入点组合 7-17	接入点组合 1-10
接入点1测量点	20.249	1.842 5	22.720
接入点2测量点	18.251	0.720 27	17.980
接入点2后端测量点	1.433 7	1.269 7	7.667 7
接入点5测量点	0.986 21	4.171 4	2.780 9
接入点10测量点	0.191 35	4.029 8	22.392
接入点12测量点	0.174 91	0.945 83	9.025 1
接入点14测量点	0.491 31	1.815 3	2.785 8

复合材料飞机电气结构网络系统电气特性分析

Electrical characteristics analysis of composite aircraft electrical structure network system

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