CN117677172A - 复合材料航空屏蔽管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料航空屏蔽管，包括内外管体结构、接头结构和支撑结构；内外管体结构包括间隔设置的外管管体结构和内管管体结构；外管管体结构包括由外至内依次设置的碳纤外层、玻纤中层、金属内层；内管管体结构包括由外至内依次设置的玻纤外层、金属中层、玻纤内层；接头结构设置于内外管体结构的端部，用于相邻复合材料航空屏蔽管的外管管体结构之间、内管管体结构之间的连接固定；支撑结构设置于外管管体结构和内管管体结构之间。本发明利用碳纤复合材料比强度高、玻纤复合材料绝缘、金属导电性好的特点，通过优化外管、内管结构形式及接头连接设计，可以同时满足高压工作、电磁屏蔽、机载振动、耐环境的指标要求。
Description
技术领域
本发明属于航空电磁屏蔽技术领域，具体涉及一种供航空缆车线缆设备使用的复合材料航空屏蔽管。
背景技术
随着科技技术的发展，航空的电磁屏蔽领域应用越来越广泛。机载设备工作环境复杂，对电磁屏蔽要求高，需要隔绝外界电磁影响，同时也要防止自身设备电磁信号外泄。
传统航空屏蔽管采用双层管体结构，材质为铝合金，电磁屏蔽效果好，但是铝合金结构强度较低、屏蔽管整体重量较重。经过对市面上已有的相关产品进行调研和研究，基本上只满足轻量化和屏蔽这两个指标，尚未有针对航空缆车线缆设备开发的复合材料航空屏蔽管。为满足轻量化、高压工作、电磁屏蔽、机载振动、耐环境等指标需求，需研究新型复合材料航空屏蔽管。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种复合材料航空屏蔽管，它可以同时满足高压工作、电磁屏蔽、机载振动、耐环境的指标要求。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种复合材料航空屏蔽管，包括内外管体结构、接头结构和支撑结构；所述内外管体结构包括间隔设置的外管管体结构和内管管体结构；所述外管管体结构包括由外至内依次设置的碳纤外层、玻纤中层、金属内层；所述内管管体结构包括由外至内依次设置的玻纤外层、金属中层、玻纤内层；所述接头结构设置于所述内外管体结构的端部，用于相邻复合材料航空屏蔽管的外管管体结构之间、内管管体结构之间的连接固定；所述支撑结构设置于所述外管管体结构和内管管体结构之间。
上述方案中，所述接头结构包括外管金属接头、外管金属片、内管金属接头、内管金属片和紧固件；所述外管金属接头插入所述外管管体结构内，且外管金属接头表面铺设有外管金属片，通过所述紧固件依次连接外管管体结构、外管金属片和外管金属接头；所述内管金属接头插入所述内管管体结构内，且内管金属接头表面铺设有内管金属片，所述内管管体结构在与内管金属接头搭接的端部预留电搭接金属区，通过所述紧固件依次连接内管管体结构、内管金属片和内管金属接头，保证接头处的电连续性。
上述方案中，所述接头结构还包括接头支撑，所述接头支撑设置于所述外管金属接头与内管金属接头之间，用于分隔内外金属接头，同时起到绝缘和支撑的作用。
上述方案中，所述外管金属接头和内管金属接头均采用7系航空铝；所述外管金属片和内管金属片采用与其对应相接的金属层相同的材料。
上述方案中，所述支撑结构包括内管支撑和管间支撑，所述内管支撑安装于所述内管管体结构的内壁，所述管间支撑安装于所述内管管体结构与外管管体结构之间的间隙中；所述内管支撑和管间支撑均采用绝缘材料。
上述方案中，所述支撑结构包括还包括卡箍，所述卡箍安装于所述外管管体结构外壁。
上述方案中，所述外管管体结构中，碳纤外层的厚度为1.6～2.0mm，玻纤中层的厚度为0.15～0.35mm，金属内层的厚度为0.15～0.3mm。
上述方案中，所述内管管体结构中，玻纤外层的厚度为1.6～2.0mm，金属中层的厚度为0.15～0.3mm，玻纤内层的厚度为0.15～0.35mm。
上述方案中，所述外管管体结构中，碳纤外层采用高强碳纤维预浸料，0/90°铺层，玻纤中层采用高强玻纤预浸料，0/90°铺层，金属内层采用铜合金，外管管体结构通过热压罐成型工艺一体化成型，树脂材料采用耐环境的环氧树脂；所述内管管体结构中，玻纤外层和玻纤内层均采用高强玻纤预浸料，0/90°铺层，金属中层采用铜合金，内管管体结构通过热压罐成型工艺一体化成型，树脂材料采用耐环境的环氧树脂。
上述方案中，所述金属内层和金属中层采用T2紫铜制成的铜合金片。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的复合材料航空屏蔽管为双层管体结构，利用碳纤复合材料比强度高、玻纤复合材料绝缘、金属导电性好的特点，通过研究管体多层复合结构比例，借助结构设计和仿真计算，通过优化外管、内管结构形式及接头连接设计，完成工艺可实现、性能最佳的航空屏蔽管设计，可以同时满足高压工作、电磁屏蔽、机载振动、耐环境的指标要求。
2、为满足技术指标中电磁屏蔽的要求，外管管体结构内表面和内管管体结构内表面均保持光滑，覆盖金属片，其间不存在金属损耗材料，通过紧固件紧固，保证管体中金属层与金属接头接触良好，保证了接头处的电连续性，从而保证了电磁屏蔽效果。
3、金属材料优选T2紫铜制成的铜合金片，铜片厚度0.15～0.3mm。T2紫铜片在0.15～0.3mm厚度时，可负载800V高压工作，满足高压工作要求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明复合材料航空屏蔽管的整体结构图；
图2是本发明复合材料航空屏蔽管的内外管体结构与支撑结构的立体图；
图3是本发明复合材料航空屏蔽管的接头结构的立体图；
图4是本发明复合材料航空屏蔽管的内外管体结构剖面示意图；
图5是本发明实施例中复合材料航空屏蔽管的耐加速度试验仿真的校核最恶劣的向下载荷工况的结果；
图6是本发明实施例中复合材料航空屏蔽管的耐冲击试验仿真的校核坠撞载荷工况的结构。
图中：10、内外管体结构；11、外管管体结构；111、碳纤外层；112、玻纤中层；113、金属内层；12、内管管体结构；121、玻纤外层；122、金属中层；123、玻纤内层；
20、接头结构；21、外管金属接头；22、外管金属片；23、内管金属接头；24、内管金属片；25、接头支撑；26、紧固件；
30、支撑结构；31、卡箍；32、内管支撑；33、管间支撑。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-3所示，为本发明实施例提供的一种复合材料航空屏蔽管，包括内外管体结构10、接头结构20和支撑结构30。内外管体结构10包括间隔设置的外管管体结构11和内管管体结构12，线缆铺设于内管管体结构12中，外管管体结构11用于屏蔽由外至内的电磁信号，内管管体结构12用于屏蔽由内至外的电磁信号。接头结构20设置于内外管体结构10的端部，用于相邻复合材料航空屏蔽管的外管管体结构11之间、内管管体结构12之间的连接固定。支撑结构30设置于外管管体结构11和内管管体结构12之间，起到管间支撑的作用，支撑结构30采用绝缘材料，保证内管与外管之间的绝缘。
如图4所示，外管管体结构11包括由外至内依次设置的碳纤外层111、玻纤中层112、金属内层113，其中，碳纤复合材料比强度高，碳纤外层111用作屏蔽管承力结构，可保证整体结构强度需求；玻纤复合材料绝缘性能好，玻纤中层112设置在中层起绝缘作用；金属内层113保证外管电连续性，保证屏蔽效果，用于屏蔽隔绝外来电磁干扰。内管管体结构12包括由外至内依次设置的玻纤外层121、金属中层122、玻纤内层123，玻纤外层121主要起到保证绝缘和内管结构强度的作用，内管的外层不宜设计为碳纤，碳纤虽强度高，但碳纤导电，且外管的金属内层113与之距离较近，在高压工作时有电流击穿隐患；金属中层122保证内管电连续性，保证屏蔽效果，用于屏蔽内部电缆产生的电磁信号；玻纤内层123主要起绝缘作用，分隔金属中层122和内部电缆。
进一步优化，接头结构20包括外管金属接头21、外管金属片22、内管金属接头23、内管金属片24、接头支撑25、紧固件26。外管金属接头21插入外管管体结构11内，且外管金属接头21表面铺设有外管金属片22，通过紧固件26(优选为螺栓)依次连接外管管体结构11、外管金属片22和外管金属接头21。内管金属接头23插入内管管体结构12内，且内管金属接头23表面铺设有内管金属片24，内管管体结构12在与内管金属接头23搭接的端部预留电搭接纯金属区(即内管管体结构12在搭接端部约30mm宽度区域不铺设玻纤内层123，使金属中层122外露)，通过紧固件26依次连接内管管体结构12、内管金属片24和内管金属接头23。接头支撑25安装于外管金属接头21与内管金属接头23之间，可以分隔内外接头，起到绝缘作用，同时提供一定的强度，优选聚四氟乙烯材料。
本发明为满足技术指标中电磁屏蔽的要求，外管管体结构11的金属内层113与外管金属接头21的外管金属片22接触，并通过螺栓压紧，保证外管中金属内层113、外管金属片22、外管金属接头21两两之间接触良好，保证了外管接头处的电连续性，从而保证了电磁屏蔽效果。内管部分同理，内管管体结构12的金属中层122与内管金属接头23的内管金属片24接触，并通过螺栓压紧，使之接触良好，保证了内管接头处的电连续性，从而保证了电磁屏蔽效果。
进一步优化，外管金属接头21和内管金属接头23均采用7系航空铝，强度高、重量轻，相较于传统接头，结构强度高，能承受耐加速度和耐冲击工况载荷。
进一步优化，外管金属片22和内管金属片24均采用铜合金片。
进一步优化，支撑结构30包括内管支撑32和管间支撑33，内管支撑32安装于内管管体结构12的内壁，管间支撑33安装于内管管体结构12与外管管体结构11之间的间隙中。内管支撑32和管间支撑33均采用聚四氟乙烯材料，较传统金属支撑具有轻量化、绝缘特性，同时具有一定结构强度。
进一步优化，支撑结构30包括还包括卡箍31，卡箍31安装于外管管体结构11外壁，用于屏蔽管在墙体或其他设备上的固定。
进一步优化，支撑结构30沿内外管体结构10的轴向布置多个。
进一步优化，通过合理设计内外管体结构10中复合材料纤维厚度，可以使其满足力学性能要求，同时保证内、外管之间绝缘；通过合理设计金属层厚度，可以达到电连续性的设计需求。外管管体结构11中，碳纤外层111的厚度为1.6～2.0mm，玻纤中层112的厚度为0.15～0.35mm，金属内层113的厚度为0.15～0.3mm。内管管体结构12中，玻纤外层121的厚度为1.6～2.0mm，金属中层122的厚度为0.15～0.3mm，玻纤内层123的厚度为0.15～0.35mm。
进一步优化，外管管体结构11中，碳纤外层111采用高强碳纤维预浸料，0/90°铺层，玻纤中层112采用高强玻纤预浸料，0/90°铺层，金属内层113采用铜合金，外管管体结构11通过热压罐成型工艺一体化成型，树脂材料采用耐环境的环氧树脂。内管管体结构12中，玻纤外层121和玻纤内层123均采用高强玻纤预浸料、0/90°铺层，金属中层122采用铜合金，内管管体结构12通过热压罐成型工艺一体化成型，树脂材料采用耐环境的环氧树脂，预浸料经高温作用，树脂达到Tg后固化，将各层材料紧密粘接。
综上，本发明利用碳纤复合材料比强度高、玻纤复合材料绝缘、金属导电性好的特点，通过研究管体多层复合结构比例，借助结构设计和仿真计算，通过优化外管、内管结构形式及接头连接设计，开展复合材料航空屏蔽管及接头整体研究，完成工艺可实现、性能最佳的航空屏蔽管设计。本发明的复合材料航空屏蔽管为双层管体结构，即分为外管和内管，针对内、外管结构及功能要求的不同，分别设计内、外管各自的多层复合结构组成和比例。同时，为保证屏蔽管的功能要求，内、外管要做到自身良好的电连续性，而内管和外管之间保证绝缘。另外，对于电连续性薄弱的屏蔽管接头结构20，进行优化设计，确保接头连接位置的强度和功能性满足需求。
根据上述方案，设计了本实施例的复合材料航空屏蔽管，其中：
外管管体结构11组成：从外向内，依次为1.6mm碳纤外层111-0.2mm玻纤中层112-0.2mm金属内层113组成的多层复合结构，碳纤外层111为0/90°铺层，层数为8层；玻纤中层112为0/90°铺层，层数为1层。
内管管体结构12组成：从外向内，依次为1.6mm玻纤外层121-0.2mm金属中层122-0.2mm玻纤内层123组成的多层复合结构，端部预留电搭接纯金属区，与铝合金接头进行螺栓连接。玻纤外层121为0/90°铺层，层数为8层；玻纤内层123为0/90°铺层，层数为1层。
碳纤选用T700高强碳纤，密度为1700kg/m3，拉伸强度4900MPa，拉伸模量230GPa，线膨胀系数(1/℃)0.07×10-6。
玻纤选用SW220高强玻纤，密度为1900kg/m3，拉伸强度3500MPa，拉伸模量90GPa，线膨胀系数(1/℃)2.9×10-6。
基体树脂选用HW350环氧树脂。HW350环氧树脂综合性能优异，且与碳纤维具有良好的界面匹配性。HW350环氧树脂拉伸强度大于40MPa，拉伸弹性模量大于3GPa，压缩强度大于100MPa，压缩弹性模量大于3GPa，泊松比(拉伸)0.39，泊松比(压缩)0.33，弯曲强度大于60MPa，弯曲弹性模量大于2.5GPa，延伸率1.3％，吸水性0.0795，冲击韧性2.31kJ/m2。
金属层选用T2紫铜制成的铜合金片，铜片厚度0.2mm。T2紫铜片在0.2mm厚度时，可负载800V高压工作，满足高压工作要求。
以上材料均满足耐环境使用要求。
内管外径Φ80mm，外管外径有Φ150mm和Φ180mm两种规格，内外管均采用两半拼接结构。单管长度1～2m，壁厚约3mm，重量为11.7kg/m。
本实施例的复合材料航空屏蔽管能满足以下指标：
(1)满足电磁屏蔽功能要求。铜合金屏蔽层通过连接设计，在屏蔽管内管、外管分别保持电连续性，实现屏蔽功能。
(2)满足高压工作环境要求。经验证，T2紫铜片在0.2mm厚度时，可负载800V高压工作，满足高压工作要求。
(3)满足机载振动要求。机载振动要求已通过仿真验证，主要为耐加速度试验仿真和耐冲击试验仿真。
耐加速度：校核最恶劣的向下加速度载荷工况。如图5所示，最大应力均位于外管接头处，最大拉应力371MPa，最大压应力357MPa，符合屏蔽管结构强度要求。
耐冲击：校核坠撞载荷工况。如图6所示，最大应力均位于外管接头处，最大拉应力215MPa，最大压应力204MPa，符合屏蔽管结构强度要求。
(4)满足耐环境要求。复合材料航空屏蔽管已完成耐环境相关测试，取得测试报告，含：低温(报告编号ReREET202201030/56-15CA)、高温(报告编号ReREET202201030/56-6CA)、温度冲击(报告编号ReREET202201030/56-24CA)、霉菌(报告编号RhaREET202112697-4CA)、湿热(报告编号ReREET202201030/56-42CA)、低温湿热(报告编号ReREET202201030/56-33CA)、盐雾(报告编号ReREET202201030/56-52CA)、太阳辐射(报告编号TJIN2112020928MR_CN)。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种复合材料航空屏蔽管，其特征在于，包括内外管体结构、接头结构和支撑结构；
所述内外管体结构包括间隔设置的外管管体结构和内管管体结构；所述外管管体结构包括由外至内依次设置的碳纤外层、玻纤中层、金属内层；所述内管管体结构包括由外至内依次设置的玻纤外层、金属中层、玻纤内层；
所述接头结构设置于所述内外管体结构的端部，用于相邻复合材料航空屏蔽管的外管管体结构之间、内管管体结构之间的连接固定；
所述支撑结构设置于所述外管管体结构和内管管体结构之间。
2.根据权利要求1所述的复合材料航空屏蔽管，其特征在于，所述接头结构包括外管金属接头、外管金属片、内管金属接头、内管金属片和紧固件；所述外管金属接头插入所述外管管体结构内，且外管金属接头表面铺设有外管金属片，通过所述紧固件依次连接外管管体结构、外管金属片和外管金属接头；所述内管金属接头插入所述内管管体结构内，且内管金属接头表面铺设有内管金属片，所述内管管体结构在与内管金属接头搭接的端部预留电搭接金属区，通过所述紧固件依次连接内管管体结构、内管金属片和内管金属接头，保证接头处的电连续性。
3.根据权利要求2所述的复合材料航空屏蔽管，其特征在于，所述接头结构还包括接头支撑，所述接头支撑设置于所述外管金属接头与内管金属接头之间，用于分隔内外金属接头，同时起到绝缘和支撑的作用。
4.根据权利要求2所述的复合材料航空屏蔽管，其特征在于，所述外管金属接头和内管金属接头均采用7系航空铝；所述外管金属片和内管金属片采用与其对应相接的金属层相同的材料。
5.根据权利要求1所述的复合材料航空屏蔽管，其特征在于，所述支撑结构包括内管支撑和管间支撑，所述内管支撑安装于所述内管管体结构的内壁，所述管间支撑安装于所述内管管体结构与外管管体结构之间的间隙中；所述内管支撑和管间支撑均采用绝缘材料。
6.根据权利要求5所述的复合材料航空屏蔽管，其特征在于，所述支撑结构包括还包括卡箍，所述卡箍安装于所述外管管体结构外壁。
7.根据权利要求1所述的复合材料航空屏蔽管，其特征在于，所述外管管体结构中，碳纤外层的厚度为1.6～2.0mm，玻纤中层的厚度为0.15～0.35mm，金属内层的厚度为0.15～0.3mm。
8.根据权利要求1所述的复合材料航空屏蔽管，其特征在于，所述内管管体结构中，玻纤外层的厚度为1.6～2.0mm，金属中层的厚度为0.15～0.3mm，玻纤内层的厚度为0.15～0.35mm。
9.根据权利要求1所述的复合材料航空屏蔽管，其特征在于，所述外管管体结构中，碳纤外层采用高强碳纤维预浸料，0/90°铺层，玻纤中层采用高强玻纤预浸料，0/90°铺层，金属内层采用铜合金，外管管体结构通过热压罐成型工艺一体化成型，树脂材料采用耐环境的环氧树脂；
所述内管管体结构中，玻纤外层和玻纤内层均采用高强玻纤预浸料，0/90°铺层，金属中层采用铜合金，内管管体结构通过热压罐成型工艺一体化成型，树脂材料采用耐环境的环氧树脂。
10.根据权利要求1所述的复合材料航空屏蔽管，其特征在于，所述金属内层和金属中层采用T2紫铜制成的铜合金片。
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