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0 引言
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随着工业的发展，全球环境污染愈演愈烈，研究导线材质，在减轻飞机重量和提高燃油效率的考虑下对飞机设计的优化具有相当大的意义。铝是一种轻质金属，密度只有铜的三分之一，因此铝制导线比传统的铜制导线更加轻量化，这是铝制导线最大的优点。减少燃油消耗，加上铝和铜在价格上的差异也使得铝制导线能大大降低导线生产成本。因此以铝线代铜线能带来更强的经济性和环保性。
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1 民航飞机导线选用基本原则
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在选用导线或电缆时，必须考虑到导线电缆的安装环境，铝线主要用于民用航空器的电源系统的部分线路和厨房电源系统，在发动机等高温区域一般不采用铝制导线[1]。使用铝制导线的目的是为了减轻整机重量，减少油耗。波音在一些重要系统（如:导航系统、飞行操纵系统、防火系统和发动机控制系统等）采用美国的军用飞机规格（MIL）导线/电缆。空客系列飞机导线/电缆使用的是欧洲标（European Norm，简称EN）和美国军用标准MIL[2]。
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2 飞机导线的性能仿真评估
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仿真过程中，首先，根据不同的仿真内容建立了不同的导线模型，设定材料属性，并进行了几何网格划分和物理场参数的设定[3]。然后进行了导线的电场、温度场和应力场的仿真分析。最后，基于仿真结果的对比分析结果，总结铝制导线的性能优势和应用限制[4]。
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2.1 铜铝金属物理参数对比
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铜铝金属物理参数对比如表1所示。
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表1（续）
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2.2 导线电阻仿真
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本模型计算一小段导线的电阻，也研究了网格尺寸对求解收敛性的影响。
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2.2.1 仿真过程
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模型定义：模型研究是以长为10 mm、半径为1 mm的圆柱作为导线模型， 1 A的恒定电流通过该导线，测量电压降，计算得到导线的电阻。所使用的边界条件用于表示导线与外部直流电源的连接。导线的一端接地，表示电流流出，另一端通过 “端子”边界条件连接到1 A的恒流电源。
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设定边界条件过后，仿真分别选取金属铝和金属铜，并对每一种材料研究了三种自由四面体不同的网格划分，比较了结果以及网格收敛性[5]。三种不同网格化如图1所示。
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图1 模型网格化图
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2.2.2 仿真结果
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仿真结果包括两种导体一端至另一端的电位图，然后添加导体电阻的全局计算，输出具体电阻数值。铜制导线仿真数据如下，铜导体电位图如图2所示，不同网格下所计算的电阻值如表2所示。
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图2 铜导体电位图
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铝制导线仿真数据如下，铝导体电位图如图3所示，不同网格下所计算的电阻值如表3所示。
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图3 铝导体电位图
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长为10 mm、半径为1 mm的导线，铝制导线的电阻约为2.1×10-4 Ω，铜制导线的电阻约为3.3×10-4 Ω，即铝制导线的电阻率高于铜制导线，所以同样电流同样截面积，铝的能耗更大。因此通常选择增大铝制导线直径的方式减小电阻，一般铝电缆要比铜电缆粗30%左右，以此来减小能耗。而金属铝的密度远低于金属铜，即使铝电缆比铜电缆粗30%左右，同样长度的铝制导线仍然比铜制导线更加轻，用铝制导线替代传统导线反而会减小飞机的整体重量，从而减小能耗。因此铝制导线替代传统导线是可行且有利的[6]。
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2.3 导线热耗散性能仿真
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2.3.1 理论基础
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导线热耗散性能的好坏影响导线的使用寿命和电力传输效果。合适的导线材料具备优良的热耗散性能，能够保证导线在负载、温度等多种条件下工作稳定，不易引起线路过热、烧断等问题，确保电力传输的高效性和安全性[7]。
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由焦耳定律，向导体施加电势差会产生电流，电流通过导体时会产生焦耳热，从而使导线温度升高，见公式（1）：
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式中：Q为导体产生的热量，J； I为流过导体的电流，A; R为导体电阻，Ω；t为时间，s。
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与此同时，导线与外界环境存在热交换。根据热力学第一定律，热交换的能量平衡表示见公式（2）：
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式中:Q 为传递的热量，J; m 为气体质量，kg; CP 为气体比热容，J/（kg·K）; T 为温度差，K。
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电缆的散热主要通过传热、热对流和热辐射完成，热场即为热平衡时的温度场，傅立叶方程见公式（3）：
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式中：ρ为材料的密度，kg/m3; c为材料的比热容，J/（kg·℃）; T为电缆温度，℃；t为时间，s；QV为电磁感应产生的焦耳热，W/m3；λx、λy、λz为材料沿坐标轴（x、y、z）的导热率，W/（m·K）。
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导线的热传递主要有三种形式，分别是热传导、对流传热和辐射传热。
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1）热传导：热传导是一种通过物体内部的分子运动传递热量的方式[7]。该方式适用于固体与气体接触面积较小且温度差不大的情况。
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2）对流传热：对流传热是一种通过气体流动传递热量的方式。当气体与固体接触面积较大且有一定速度时，气体会在固体表面形成一定的速度和温度分布，从而实现传热[7]。对流换热边界条件设置见公式（4）。
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式中:q为单位面积热流密度（W/m2）; h为对流换热系数，W/（m2·K）; Tf为环境温度，K； Tamb为导体表面温度，K。
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3）辐射传热：辐射传热是一种通过物体表面的热辐射传递热量的方式[7]。该方式适用于固体与气体接触面积较大，但温度差不大的情况。辐射换热边界条件见公式（5）。
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式中：q为单位面积热流密度（W/m2）; ε为表面辐射率；σ0为斯提芬波尔赫兹常数[5.67×10-8 W/（m2·k4）]。
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在固体与气体的对流换热中，对流换热系数通常由气体速度，热交换面积，温度差，气体摩尔温度所决定。本章仿真所用对流换热系数的计算见公式（6）。
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式中：D为导线直径，mm；k为热导率；Ra为自然对流过程中的惯性力和重力驱动力的比例；Pr为流体的动力黏度和热扩散率的比值。
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综上，要对导线进行较好的热耗散性能评估，我们将电场与热场耦合，求解导线温度变化，分析热耗散性能[8]。
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2.3.2 仿真过程
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模型定义：模型研究的是长1 m、半径4 mm的圆柱作为导线模型，流过导线的电流大小选取20 A。所使用的电流边界条件用于表示导线与外部直流电源的连接。导线的一端接地，表示电流流出，另一端通过 “端子”边界条件连接到28 A的恒流电源[9]。
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换热仿真边界条件采用的外界环境为稳态温度，导线侧面为热通量边界，终端和接地端为绝缘边界，换热方式为自然外部对流换热，如图4所示。外界环境选取温度为373.15 K（20℃），压强为1 atm，导线初始温度为373.15 K。导体内部热传导的导热系数、密度、恒压热容均取决于材料，具体数值由软件材料库提供。
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图4 对流换热示意图
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设定电热场边界条件后，仿真分别选取铝材料和铜材料，其材料的参数由COMSOL软件自带材料库提供。在模型采用极细化的四面体网格划分后，对通入电流1个小时做瞬态仿真分析[10]。
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2.3.3 仿真结果
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铜制导线在通电一个小时后，铜制导线温度达到21.01℃，如图5所示，略高于初始温度和环境温度，温升曲线平滑，如图6所示。
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铝制导线在通电一个小时后，温度达到21.65℃，如图7所示，同样略高于初始温度和环境温度，且温升曲线平滑，如图8所示。
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由于铜的电导率高于金属铝，所以在传输电流时，铜制导线会产生更少的电阻热，并能够更有效地散热[11]。铝制导线的散热性能相对较差，而且铝制导线的比热容也较低，热惯性大，容易产生热变形。因此，在高负荷和长距离电力传输中，铝制导线会产生较高的温升和线路损耗，散热比铜制导线更加困难。
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图5 铜导线温度分布图
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图6 铜导线温度变化图
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图7 铝导线温度分布图
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图8 铝导线温度变化图
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2.4 导线强度仿真
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2.4.1 仿真过程
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模型定义：模型研究的是以长30 mm、宽4 mm的矩形作为导线二维模型，宽代表导线半径，长为导线长度，见图9所示。添加固体力学物理场，对模型施加固定位移，观察不同材料导线模型的所受应力和应变。
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图9 导线模型图
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边界条件设置为导线端面（矩形的宽）为对称平面，并对端面施加指定位移约束，位移由0 mm到5 mm，步长设置为0.25 mm，对导线侧面（矩形的长）施加自由约束。模型材料从COMSOL内置材料库中选取，具体参数由材料库提供，如表1所示。完成所有设置后，对模型进行稳态求解。
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2.4.2 仿真结果
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仿真结果包括两种材质导线在端面相同位移时的应力分布和应变情况，分析两种材料不同的抗拉强度。
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由仿真结果，在两种材料导线端面指定位移4.75 mm时，铝导体内部最大应力达到150 MPa，铜导体内部最大应力达到290 MPa，约为铝导体的两倍，应力图如图10所示。
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图10 导体应力图
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由材料库参数，金属铝的初始屈服应力约为40 MPa，饱和流动应力约为110 MPa，铜的初始屈服应力约为70 MPa，饱和流动应力约为220 MPa[12]。
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因此，端面位移为4.75 mm时，两种导体内部最大应力均超过其饱和流动应力，导体中间应发生拉伸断裂，导体等效塑性应变如图11所示。对导体内部应力施加过滤器，以流动饱和应力为界限，生成等效断裂应力图，如图12所示。
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图11 导体等效塑性应变
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由仿真结果可知，同样的形变，铜导线所需应力更大，强度与刚度优于铝制导线[13]。金属铝可塑性好，更容易加工，但纯铝导线的强度低限制了其在发动机、APU以及频繁的震动区域的使用，因此我们需要通过其他途径增加铝制导线的强度，以提升铝制导线的机械性能[14]。
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图12 等效断裂应力
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3 结论
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本文仅针对纯铝和纯铜材料作为研究对象，采用COMSOL软件对铝制导线的性能方法评估研究。评估两种材质导线的导电性、热耗散性、强度等方面的表现，分析了铝制导线的性能优势和应用限制，因实际飞机导线的工作环境复杂多样，仿真结果与真实值存在一定的误差，后期可以通过优化模型，更改相关参数以提高仿真数据的有效性[15]。未来，铝制导线在飞机上的应用将越来越广泛。
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摘要
飞机电力系统中的导线是传输电能和信息的关键组件，研究导线材质，对飞机设计的优化具有相当大的意义。在当前节能减排和保护环境的大背景下，铜制导线虽然具有较好的导电性和较强的机械性能，但由于密度大，铜制导线并不太适用于对重量要求非常敏感的场合，在减轻飞机重量和提高燃油效率的考虑下，密度和成本更低的铝代替铜制导线已成为趋势。介绍了目前飞机导线选用的基本原则，然后基于COMSOL Multiphysics仿真软件，对铝制和铜制导线进行电学性能、热学性能、结构性能等方面的仿真对比分析，分析两种不同材质不同的性能特点，总结了铝制导线的性能优势和应用限制，旨在优化飞机导线的设计方案。仿真结果表明，铝制导线的良好导电性能、热稳定性和机械强度，可以满足飞机部分电力系统的使用需求。
Abstract
It is a key component about wires in aircraft power system to transmit power and information. In the current context of energy conservation, emission reduction, and environmental protection, although copper wire has good conductivity and strong mechanical properties, due to its high density, copper wire is not very suitable for occasions that are very sensitive to weight requirements. In order to reduce aircraft weight and improve fuel efficiency, it has become a trend to use aluminum instead of copper wire. This paper introduces the basic principles of current aircraft wire selection, and then uses COMSOL Multiphysics simulation software, to compare and analyze the electrical, thermal and structural properties of aluminum and copper wires. The performance characteristics of two different materials were analyzed, and the performance advantages and application limitations of aluminum wires were summarized, aiming to optimize the design scheme of aircraft wires .The simulation results show that the good conductivity, thermal stability and mechanical strength of aluminum conductors can meet the requirements of some aircraft power systems.
Keywords
wire ； aluminum ； COMSOL software ； simulation analysis ； performance characteristics
