（中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211）

航空航天一直是各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的熱點(diǎn)。近年來，隨著各重大科技專項(xiàng)的實(shí)施，我國(guó)航空航天事業(yè)獲得快速發(fā)展。航空航天建設(shè)領(lǐng)域中需要用到大型管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效傳輸，這就要求管道結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境下具有良好的力學(xué)性能。傳統(tǒng)的管道結(jié)構(gòu)通常采用金屬材質(zhì)制造，工藝成熟、易于批量生產(chǎn)，但由其制造所得管道結(jié)構(gòu)具有比重大、制造工藝復(fù)雜且耐腐蝕性能差等缺點(diǎn)[1-2]。圖1給出了傳統(tǒng)金屬管道在工程服役環(huán)境下典型腐蝕圖，并且這種管道腐蝕破壞不易排查，通常會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。如何有效基于低成本制造工藝制造出輕質(zhì)高性能的大直徑管道結(jié)構(gòu)具有顯著的工程意義[3-5]。

圖1 傳統(tǒng)金屬材質(zhì)管道結(jié)構(gòu)腐蝕實(shí)物圖Fig.1 Corrosion photo of the traditional pipe made of metal and cement materials

先進(jìn)復(fù)合材料以優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐疲勞和抗腐蝕等性能被廣泛用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域[6-8]。已有研究采用纏繞工藝制造復(fù)合材料管道，并研究了預(yù)緊力和纏繞溫度對(duì)復(fù)合材料管道成型的影響。但是，該工藝僅能成型特定外形，且所用設(shè)備投資大，因此需要開發(fā)出基于低成本工藝制造復(fù)合材料管道結(jié)構(gòu)的方法。真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）被公認(rèn)是一種低成本制造復(fù)合材料的液體成型工藝，它是將干態(tài)預(yù)制體置于硬性模具上，用真空袋覆蓋后采用密封膠密封,確保整個(gè)裝置不漏氣后，真空壓力下將樹脂浸潤(rùn)為復(fù)合材料制件[9-11]。它在成型過程中只需要單面模具，避免了傳統(tǒng)液體成型工藝所需匹配性模具的苛刻要求，降低了構(gòu)件制造成本。

本文對(duì)采用VARTM工藝制造復(fù)合材料管道連接件結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，采用有限元/控制體積方法對(duì)4種可能樹脂注模方式中的樹脂流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析，考察它們對(duì)應(yīng)注模時(shí)間及流動(dòng)前鋒形狀信息，并確定了合理的注模方式。最后，基于所得注模方式制造管道連接頭縮比件和實(shí)際圓筒狀連接件，并將試驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模擬所得樹脂注模方式的合理性。

試驗(yàn)材料及步驟

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以碳纖維四軸向織物（C-DBL T400-12K，厚度為0.42mm、面密度392g/m2，宏發(fā)縱橫新材料科技公司）（圖2）為材料進(jìn)行試驗(yàn)。所用預(yù)制體面內(nèi)和厚度方向滲透率大小分別為 1.9×10-11m2和 1.1×10-12m2。試驗(yàn)以高性能甲基丙烯酸型環(huán)氧樹脂乙烯基樹脂（MERICAN 30 200P，上海華昌聚合物有限公司）為浸潤(rùn)樹脂，采用過氧化酮為固化劑，兩者的質(zhì)量混合比為5∶3，試驗(yàn)前樹脂粘度為250 mPa·s。該混合物具有粘度低、力學(xué)性能好和耐腐蝕性能強(qiáng)等優(yōu)異特點(diǎn)，在80℃溫度下保持30min可完全固化。

2 驗(yàn)證試驗(yàn)操作方法

復(fù)合材料管道結(jié)構(gòu)剖面如圖3（a）所示，管道連接件處局部放大剖面如圖3（b）所示。由于管道桶身段結(jié)構(gòu)形式變化平緩，容易實(shí)現(xiàn)樹脂浸潤(rùn)，這里只針對(duì)由金屬芯模與織物包覆材料構(gòu)成的管道連接件部分樹脂注模方式進(jìn)行研究。成型過程中金屬芯模與織物接觸處容易形成間隙，這在樹脂注模方式和碳纖維織物鋪放方式工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。復(fù)合材料管道連接件的VARTM工藝試驗(yàn)過程可簡(jiǎn)述為：第一步，將織物按照鋪層設(shè)計(jì)裁剪成尺寸為120mm×360mm的長(zhǎng)方形，并將裁剪好的單層織物按照設(shè)計(jì)鋪層方式疊放，接著將具有復(fù)雜曲面的金屬芯模放置在預(yù)制體上方；第二步，將位于芯模下方的纖維織物沿著芯模上表面包覆鋪放，使芯模包埋在其中；第三步，為保持上表面織物沿著芯模曲面具有良好接觸，將與芯模上表面相匹配的硬性金屬模具覆蓋在芯模上方織物上表面，以保持預(yù)制體織物在浸潤(rùn)樹脂前，其形狀與金屬芯模表面貼合良好；第四步，將注射口和出射口的位置按采用模擬所得樹脂注模方式進(jìn)行設(shè)置，注模前將樹脂注射口采用密封夾密封；第五步，樹脂注模前，將其置于真空烘箱內(nèi)進(jìn)行除氣泡操作，在真空壓力梯度下進(jìn)行注模。

3 試驗(yàn)件注模方式設(shè)計(jì)

本文進(jìn)行的技術(shù)攻關(guān)是采用VARTM工藝制造長(zhǎng)度6m、直徑1.5m的復(fù)合材料管道，其關(guān)鍵是如何解決由金屬芯模與碳纖維織物組成的管道連接部分的預(yù)制體在工藝過程中得到良好浸潤(rùn)的難題。首先設(shè)計(jì)了復(fù)合材料管道連接件縮比件。計(jì)算模型的幾何形狀如圖4（a）所示，管道連接件結(jié)構(gòu)由金屬芯模和預(yù)成型體組成，金屬芯模起到局部增強(qiáng)作用。圖4（b）為各樹脂注模方式下注射口和出射口位置，本文所研究的各具體樹脂注模方式如表1所示。

圖2 試驗(yàn)所用碳纖維織物Fig.2 Carbon fiber used in this study

圖3 復(fù)合材料管道連接件結(jié)構(gòu)Fig.3 Diagram of the composite pipe key-part

結(jié)果與討論

復(fù)合材料構(gòu)件VARTM工藝樹脂流動(dòng)分析是以達(dá)西定律和連續(xù)性方程為基礎(chǔ)，采用有限元/控制體積方法進(jìn)行計(jì)算[12-14]。注模方式1和2的樹脂注模時(shí)間及壓力分布模擬結(jié)果，如圖5所示。注模方式1是指將預(yù)制體長(zhǎng)度方向兩條邊中心設(shè)為注射口，出射口位于織物長(zhǎng)度方向兩端；注模方式2是指線注射線出射工藝，注射口和出射口位置分別設(shè)置在預(yù)制體長(zhǎng)度方向兩端，且復(fù)雜曲面一端設(shè)置為出射口。注模方式1和2的所需注模時(shí)間分布分別如圖5（a）和（b）所示，兩種工況的樹脂壓力分布如圖5（c）和（d）所示。云圖顏色代表參數(shù)大小，數(shù)據(jù)的最大值和最小值分別用紅色和藍(lán)色代表。從注模時(shí)間分布看，藍(lán)色區(qū)域位于注射口位置，而紅色區(qū)域位于出射口位置。注模方式1對(duì)應(yīng)的注模時(shí)間為777s，而注模方式2的樹脂注模時(shí)間為1310s。

注模方式3和4的樹脂流動(dòng)模擬結(jié)果如圖6所示。注模方式3是指預(yù)制體長(zhǎng)度方向一邊中心注射，對(duì)邊兩角點(diǎn)為出射口；注模方式4是由長(zhǎng)度方向一邊中心注射，長(zhǎng)度方向兩端為出射口。注模方式3和4的注模時(shí)間分布分別如圖6（a）和（b）所示，樹脂壓力分布分別如6（c）和（d）所示。注模方式3的注模時(shí)間為1140s，注模方式4所需樹脂注模時(shí)間為1320s。

圖4 復(fù)合材料管道連接件縮比件及模擬工藝設(shè)置Fig.4 Diagram of scaling-down pipe key-part

表1 各注模方式注射口和出射口的邊界條件信息

圖5 樹脂注模方式1和2下樹脂流動(dòng)過程模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results for injection case 1 and 2

可以看出，采用注模方式1所用的樹脂注模時(shí)間最短，采用單點(diǎn)注射工藝的注模方式3和4的時(shí)間比注模方式1略長(zhǎng)；而線注射線出射注模方式所需時(shí)間介于注模方式3和4之間。從云圖分布形狀可得，各注模方式的流動(dòng)前鋒形狀也存在差異。對(duì)兩點(diǎn)注射方式的注模方式1，流動(dòng)前鋒首先到達(dá)不含復(fù)雜曲面的一端，這在注射口和出射口之間將形成通道，完全浸潤(rùn)復(fù)雜曲面的部分后會(huì)造成樹脂浪費(fèi)，并且復(fù)雜曲面端部不能良好浸潤(rùn)。其他兩個(gè)中心注射工藝也具有類似現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在實(shí)際生產(chǎn)中是必須避免的。與其他3種工況相比，注模方式2對(duì)應(yīng)的樹脂注模方式在整個(gè)過程中流動(dòng)前鋒分布均勻，并確保最終到達(dá)復(fù)雜曲面端部時(shí)其他結(jié)構(gòu)均已被浸潤(rùn)。綜合比較各注模方式對(duì)應(yīng)的注模時(shí)間和流動(dòng)前鋒形狀結(jié)果，可看出注模方式2（線注射-線出射方式）能夠更好地浸潤(rùn)管道連接頭復(fù)雜曲面處的預(yù)制體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料連接件的良好浸潤(rùn)。

復(fù)合材料管道縮比件試驗(yàn)驗(yàn)證采用注模方式2的注射口和出射口位置進(jìn)行設(shè)置，試驗(yàn)過程如圖7所示。整個(gè)裝置上方放置相機(jī)以監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中注模時(shí)間和流動(dòng)前鋒形狀，試驗(yàn)過程的樹脂注模時(shí)間約為21min（1250s），這與模擬所得結(jié)果表現(xiàn)出良好的一致性，驗(yàn)證了有限元方法的有效性。但試驗(yàn)流動(dòng)前鋒形狀與模擬結(jié)果存在一定偏差，這是由所用織物剪裁與鋪放過程中不整齊以及在密封過程中預(yù)制體上方的真空袋發(fā)生褶皺變形引起的邊緣效應(yīng)導(dǎo)致。

經(jīng)固化后所得復(fù)合材料管道縮比件結(jié)構(gòu)橫截面如圖8所示，可以看出，所得復(fù)合材料管道連接件沒有出現(xiàn)干斑缺陷，并且預(yù)制體織物與金屬芯模界面粘接良好，織物層間得到有效壓實(shí)，所得構(gòu)件質(zhì)量符合成型要求。

圖6 注模方式3和4下樹脂流動(dòng)過程模擬結(jié)果云圖Fig.6 Simulation results for injection case 3 and 4

圖7 驗(yàn)證性試驗(yàn)Fig.7 Verification experiment

圖8 固化后的復(fù)合材料管道連接件橫截面Fig.8 Cross-section of the cured scalingdown composite pipe key-part

圖9 采用注模方式2所得復(fù)合材料管道連接件接頭整體縮比件Fig.9 Scale-down composite pipe connection part with the injection case 2

為進(jìn)一步考察模擬所得樹脂注模工藝對(duì)采用VARTM工藝制造整體復(fù)合材料管道連接件的有效性，對(duì)復(fù)合材料管道連接件整體構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)過程如圖9（a）所示，固化后構(gòu)件如圖9（b）所示?？梢钥闯?，整體管道連接件纖維織物均得到良好浸潤(rùn)，這為復(fù)合材料大型管道低成本工藝的制造提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

結(jié)束語

（1）與點(diǎn)注射的樹脂注模方式相比，線注射方式可得到更均勻的樹脂流動(dòng)前鋒。

（2）針對(duì)具有復(fù)雜曲面的復(fù)合材料管道連接件VARTM工藝的制造過程，模擬結(jié)果表明采用注模方式2（線注射-線出射）工藝對(duì)應(yīng)的樹脂注模方式能夠有效浸潤(rùn)織物。

（3）本文基于模擬所得注模方式對(duì)復(fù)合材料連接件縮比件進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了模擬所得工藝的合理性；并采用該注模工藝制造了復(fù)合材料管道連接件整體結(jié)構(gòu)，該成果為采用VARTM工藝制造復(fù)合材料管道結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王汝敏,鄭水蓉,鄭亞萍.聚合物基復(fù)合材料及工藝[M].北京： 科學(xué)出版社,2004.

WANG Rumin,ZHENG Shuirong,ZHENG Yaping.Polymer composite materials and process[M].Beijing： Science press,2004.

[2]BROUWER W D,HERPT E C F C,LABORDUS M.Vacuum injection moulding for large structural applications[J].Composites Part A： Applied Science and Manufacturing,2003,34(6)： 551-558.

[3]BURAGOHAIN M,VELMURUGAN R.Study of filament wound grid stiffened composite cylindrical structures[J].Composite Structures,2011,93(2)： 1031-1038.

[4]SHAMSUDDOHA M,ISLAM M M,ARAVINTHAN T.Effectiveness of using fiber reinforced polymer composites for underwater steel pipeline repairs[J].Composite Structures,2013,100(5)： 40-54.

[5]VASILIEV V V,KRIKANOV A A,RAZIN A F.New generation of filament wound composite pressure vessels for commercial application[J].Composite Structures,2003,62(3)：449-459.

[6]MOHAMED N,SOLIMAN A M,NEHDI M L.Mechanical performance of full scale precast steel fiber reinforced concrete pipes[J].Journal of Structural Engineering,2015,84： 287-299.

[7]WANG C C,BAI G H,WANG Y.Permeability tests of fiber fabrics in the vacuum assisted resin transfer molding process[J].Applied Composite Materials,2015,22(4)： 363-375.

[8]DENIZ M E,OZEN M,OZDEMIR O.Environmental effect on fatigue life of glassepoxy composite pipes subjected to impact loading[J].Composites Part B： Engineering,2013,44(1)： 304-312.

[9]YU H N,KIM S S,HWANG I U.Application of natural fiber reinforced composites to trenchless rehabilitation of underground pipes[J].Composite Structures,2008,86(1-3)： 285-290.

[10]BERRYMAN C,ZHU J,JENSEN W.High-percentage replacement of cement with fly ash for reinforced concrete pipe[J].Cement and Concrete Research,2005,35(6)： 1088-1091.

[11]NAZIRAH Z S,MAJID M S A,DAUD R.Performance simulation of glass fiber/epoxy composite pipes under multiaxial stress loading[J].Applied Mechanics and Materials,2015,695： 725-728.

[12]MAJID M S A,ASSALEH T A,GIBSON A G.Ultimate elastic wall stress (UEWS)test of glass fiber reinforced epoxy (GRE) pipe[J].Composites Part A,2011,42(10)： 1500-1508.

[13]GOVIGNON Q,BICKERTON S,KELLY P A.Simulation of the reinforcement compaction and resin flow during the complete resin infusion process[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing,2010,41(1)：45-57.

[14]KANG M K,LEE W I,HAHN H T.Analysis of vacuum bag resin transfer molding process[J].Composites Part A： Applied Science and Manufacturing,2001,32(11)： 1553-1560.