王巧玲，魏 棟，李光俊，李 恒，文友誼

（1. 航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 成都 610092；2. 西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安 710072）

管路構(gòu)件在航空航天領(lǐng)域先進(jìn)飛行器中又被稱為“血管類”零件和生命控制線，是起到流體傳輸?shù)戎匾饔玫年P(guān)鍵輕量化構(gòu)件，可以滿足飛行器燃油、液壓、環(huán)控等系統(tǒng)的各種需求，但是管路構(gòu)件在飛行器服役過程中往往長(zhǎng)期處于振動(dòng)、高溫高壓或油氣侵蝕等惡劣的環(huán)境中，其性能的優(yōu)劣將直接到影響飛行器的安全和適航性能[1–4]。

目前，飛機(jī)上典型管件材料主要是采用金屬材料，包括鋁合金、不銹鋼和鈦合金等，傳統(tǒng)的金屬材料導(dǎo)管成形制造涉及的成形工序多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，并且成形過程復(fù)雜，加之管件原材料質(zhì)量不穩(wěn)定等因素，極易引起成品管材組織及性能的波動(dòng)，從而導(dǎo)致管材的尺寸精度和服役性能不穩(wěn)定[5–8]。此外近年來國產(chǎn)大飛機(jī)及軍用戰(zhàn)機(jī)的高速發(fā)展對(duì)飛機(jī)的輕量化、高功效以及高可靠性提出了更高的要求，飛機(jī)管路系統(tǒng)也正在朝著整體型多彎結(jié)構(gòu)以及緊湊型復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)展，因此采用復(fù)合材料管路整體制造替代金屬管材具有廣闊的發(fā)展前景。

復(fù)合材料具有優(yōu)異的物理、化學(xué)以及力學(xué)性能，此外相比金屬材料，復(fù)合材料還具有優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性和材料與結(jié)構(gòu)統(tǒng)一性制造兩個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)。首先在復(fù)合材料成型之前，可以針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，在滿足使用要求的前提下選擇和匹配不同的纖維和基體材料來降低生產(chǎn)成本；對(duì)于復(fù)合材料的成型制造來說，特別是對(duì)于復(fù)雜形狀的零件或構(gòu)件，其成型是在材料成型的同時(shí)完成的，基本不需要進(jìn)行二次加工，因此無論是從材料結(jié)構(gòu)的整體性、可靠性以及生產(chǎn)制造成本的角度來說，復(fù)合材料相比金屬材料都具有顯著的優(yōu)勢(shì)[9–10]。以空客公司所生產(chǎn)的商用客機(jī)發(fā)展為例，復(fù)合材料用量占比由最初的不到10%增加到目前的50%以上，最新的波音客機(jī)復(fù)合材料用量更是達(dá)到了60%以上，同時(shí)在其他類型飛行器上復(fù)合材料也正在逐步取代傳統(tǒng)金屬材料而得到廣泛應(yīng)用[11–12]。

鑒于傳統(tǒng)金屬管路構(gòu)件成形制造的局限性，為了提升飛機(jī)的綜合性能，選用復(fù)合材料管路構(gòu)件實(shí)現(xiàn)整體和復(fù)雜結(jié)構(gòu)管路制造，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬管路構(gòu)件是目前研究和發(fā)展的目標(biāo)并已成為可能，國外已經(jīng)有復(fù)合材料導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用。本文首先介紹了纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及其主要的幾種成型工藝特點(diǎn)，并評(píng)述了纏繞成型技術(shù)制造纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料直管和彎管件以及復(fù)合材料管材連接技術(shù)的近年來國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

1 復(fù)合材料管件的航空應(yīng)用現(xiàn)狀

復(fù)合材料經(jīng)歷了幾十年的迅速發(fā)展，并且隨著航空航天等尖端領(lǐng)域技術(shù)的不斷推動(dòng)，復(fù)合材料制備以及成型技術(shù)日漸成熟，同時(shí)復(fù)合材料管路構(gòu)件在航空航天領(lǐng)域也開始逐步得到應(yīng)用。圖1[13]為目前全球不同飛機(jī)類型復(fù)合材料導(dǎo)管市場(chǎng)占比，目前復(fù)合材料導(dǎo)管應(yīng)用機(jī)型主要包括：波音737、A320、A340、波音787、A380 和波音777 等商用客機(jī)并且其應(yīng)用占到了70%，Embraer190 和ATR 72 等支線客機(jī)，Airbus H155 和Sikorsky S–92 等直升機(jī)以及Dassault Rafale 等軍用戰(zhàn)斗機(jī)，；全球復(fù)合材料導(dǎo)管市場(chǎng)在2018 已接近6 億美元，并且有望在2024年達(dá)到接近9 億美元，這也充分說明復(fù)合材料導(dǎo)管有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用和發(fā)展前景[13-14]。

圖1 全球航空復(fù)合材料導(dǎo)管市場(chǎng)占比Fig.1 Global market share of aviation composite tubes

復(fù)合材料導(dǎo)管根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和工作壓力等的不同又可以分為低壓和高壓兩種，但是目前飛機(jī)上復(fù)合材料導(dǎo)管應(yīng)用中所定義的高壓和低壓并不等同于傳統(tǒng)金屬管路壓力等級(jí)，相比起液壓管路用導(dǎo)管的35MPa 甚至42MPa來說尚都屬于低壓級(jí)別。圖2 所示[14]為目前復(fù)合材料導(dǎo)管在飛機(jī)管路系統(tǒng)中主要的應(yīng)用，其中低壓復(fù)合材料導(dǎo)管應(yīng)用占到了89%，而高壓復(fù)合材料導(dǎo)管僅占11%，這也是由于目前成型制造技術(shù)的限制造成的，同時(shí)未來也急需不斷提升復(fù)合材料導(dǎo)管的成型制造能力以實(shí)現(xiàn)其在高壓場(chǎng)合甚至是液壓管路這種更高壓力等級(jí)的廣泛應(yīng)用。低壓復(fù)合材料導(dǎo)管應(yīng)用主要包括受力結(jié)構(gòu)件、消聲器和儀表冷卻等電子設(shè)備系統(tǒng)（Avionics Ventilation）、客艙通風(fēng)及空氣循環(huán)等環(huán)控系統(tǒng)（ECS）；高壓復(fù)合材料導(dǎo)管的主要應(yīng)用是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣及燃油管道系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、油箱惰化系統(tǒng)等輔助動(dòng)力裝置（APU）[13–14]。

2 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件制造技術(shù)分析

2.1 原材料性能對(duì)比分析

2.1.1 樹脂基體材料性能對(duì)比

樹脂基復(fù)合材料是發(fā)展最早的一類復(fù)合材料，同時(shí)其應(yīng)用最廣并且規(guī)模最大。樹脂主要作用是黏合纖維并固定其位置以及在纖維間傳遞載荷，此外樹脂還對(duì)復(fù)合材料的物理、化學(xué)、力學(xué)性能等具有重要影響。樹脂基體主要分為熱固性和熱塑性樹脂兩類，其中熱固性樹脂主要包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酯樹脂等，其具有固化后不易軟化的特點(diǎn)。熱塑性樹脂主要包括聚乙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂以及聚丙烯樹脂等，但是熱塑性樹脂耐高溫性能較差，當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)發(fā)生軟化現(xiàn)象。相比熱塑性樹脂來說，熱固性樹脂更適合用于航空領(lǐng)域復(fù)合材料管件的制備，表1 列出了常用的幾種熱固性樹脂性能及其在目前航空管路構(gòu)件中的用量占比，其中熱固性樹脂中環(huán)氧樹脂是應(yīng)用最廣泛的樹脂，用量占比接近50%，其具有粘結(jié)力強(qiáng)，固化收縮小，耐高溫性能好，固化成型方便等諸多優(yōu)點(diǎn)；酚醛樹脂的優(yōu)點(diǎn)主要有耐高溫性好、吸水性小、價(jià)格低廉等；聚酯樹脂可以在室溫下進(jìn)行固化，成本低廉，但存在耐熱性能低的缺點(diǎn)[14–16]。

圖2 復(fù)合材料導(dǎo)管應(yīng)用Fig.2 Aapplication of FRP tubes in aircraft

表1 常用熱固性樹脂性能對(duì)比Table 1 Comparison of performance between thermosetting resins

2.1.2 增強(qiáng)纖維材料性能對(duì)比

在纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件中，纖維是最主要的承載結(jié)構(gòu)，纖維的性能對(duì)復(fù)合材料管件的性能起著決定性的作用，因此增強(qiáng)纖維需要具有以下特點(diǎn)：高的比強(qiáng)度和比模量、浸潤(rùn)性好、松緊均勻等。目前普遍采用的增強(qiáng)纖維主要包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維以及聚乙烯纖維等，其性能對(duì)比以及在航空復(fù)合材料管件中的用量占比如表2 所示。其中玻璃纖維具有耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度較高以及生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管件中應(yīng)用最為廣泛，占到了47.2%；碳纖維具有密度低、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，同時(shí)碳纖維還表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫、抗氧化和耐腐蝕性能，也是目前航空飛行器等高端領(lǐng)域裝備應(yīng)用較為廣泛的增強(qiáng)纖維材料，用量占比在35%左右。芳綸纖維和聚乙烯纖維等雖然具有密度低、強(qiáng)度高、延伸率高、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)異的性能，是航空航天領(lǐng)域很有發(fā)展前途的纖維材料，但是其生產(chǎn)成本較為昂貴，且目前的制造和使用經(jīng)驗(yàn)還比較少[14,17–18]。

2.2 復(fù)合材料管件成型工藝分類及特點(diǎn)

樹脂基復(fù)合材料成型方法從20 世紀(jì)40年代起開始研究并應(yīng)用，并且隨著復(fù)合材料的迅速發(fā)展，新的成型工藝和方法也在不斷出現(xiàn)，目前在復(fù)合材料管件生產(chǎn)中采用的成型方法主要包括手糊成型、纏繞成型、拉擠成型以及樹脂傳遞模塑成型（RTM）等，上述4 種成型工藝示意圖如圖3 所示[19–21]。

表2 幾種增強(qiáng)纖維性能對(duì)比Table 2 Comparison of performance between fibers

2.2.1 手糊成型(Hand lay-up)

手糊成型[22–23]是通過手工鋪層的方式將樹脂和纖維增強(qiáng)織物直接鋪貼在芯模表面的成型方式，鋪貼完成后經(jīng)過固化脫模最終形成管件制品。手糊成型是最早期的復(fù)合材料成型方式，并且其具有設(shè)備投資低且不受制品尺寸和形狀的限制的特點(diǎn)。但是手糊成型得到的復(fù)合材料管件質(zhì)量強(qiáng)度較低并且性能穩(wěn)定性差生產(chǎn)效率低，同時(shí)該成型方法勞動(dòng)強(qiáng)度大且只適合小批量的生產(chǎn)。

2.2.2 纏繞成型(Filament winding)

纏繞成型[19，24]是將增強(qiáng)纖維材料連續(xù)纏繞在回轉(zhuǎn)芯模上的復(fù)合材料成型方式，是一種制備各種尺寸回轉(zhuǎn)體的簡(jiǎn)單方法，其中采用干纖維絲在芯模上纏繞的同時(shí)將樹脂液噴射在芯模上的成型方式稱為干法纏繞；濕法纏繞指的是在纏繞前先將纖維浸膠，通過張力控制纏繞在芯模上，最后連同芯模一起固化成型；半干法纏繞和濕法纏繞的區(qū)別是在纖維浸膠和纏繞中間增加對(duì)纖維進(jìn)行烘干的工序。目前濕法纏繞或半干法纏繞是主要采用的成型方式，并且相比縱向纏繞和環(huán)向纏繞來說，通過螺旋纏繞可以更大程度上同時(shí)保證管件縱向和環(huán)向具有很高的強(qiáng)度。

2.2.3 拉擠成型(Pultrusion)

拉擠成型[20–21]最大的特點(diǎn)是自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，其成型過程包括首先將纖維束浸膠，而后在牽引裝置的牽引下連續(xù)通過模具，固化在模具內(nèi)完成最后脫模形成管件制品。拉擠成型的自動(dòng)化程度以及生產(chǎn)效率高，相比其他成型工藝來說其生產(chǎn)的管件長(zhǎng)度更長(zhǎng)，同時(shí)其縱向的力學(xué)性能較為優(yōu)異，對(duì)于工字型、異型截面管材的成型制造來說較為適合。

2.2.4 樹脂傳遞模塑成型(Resin transfer molding)

樹脂傳遞模塑成型[25–26]屬于閉模成型技術(shù)，于20世紀(jì)50年代發(fā)展并應(yīng)用，簡(jiǎn)稱為RTM 成型。其成型過程為首先在模具型腔內(nèi)鋪放好纖維增強(qiáng)預(yù)制件，模具的型腔為閉合狀態(tài)，然后將樹脂注入其中浸潤(rùn)纖維增強(qiáng)預(yù)制件，最后固化脫模成型出管件制品。傳統(tǒng)的RTM 工藝主要采用手工的方式鋪放形成預(yù)制件，目前國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了采用二維編織甚至三維編織的方式來成型預(yù)制件，RTM 相較其他工藝來說其制備出的管材內(nèi)外表面質(zhì)量均比較好。

表3 列出了上述4 種纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件成型工藝的特點(diǎn)對(duì)比，其中，纏繞成型因其具有產(chǎn)品強(qiáng)度高、質(zhì)量穩(wěn)定以及生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)而成為目前生產(chǎn)航空用復(fù)合材料管件最常用的成型方式，但是纏繞成型也具有設(shè)備投資大以及管材外表面精度相對(duì)較低需要進(jìn)行打磨的局限性，發(fā)展高效的纏繞成型設(shè)備以及提升纏繞成型質(zhì)量是需要進(jìn)一步發(fā)展的目標(biāo)。

圖3 復(fù)合材料管件成型工藝示意圖Fig.3 Manufacturing process diagram of FRP tubes

表3 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件成型工藝特點(diǎn)對(duì)比Table 3 Comparison of manufacturing technology characteristics of FRP tubes

3 復(fù)合材料管件纏繞成型技術(shù)研究現(xiàn)狀

纖維纏繞設(shè)備的好壞對(duì)纏繞成型后管路構(gòu)件的性能起著決定性的作用，并且纏繞設(shè)備的自由度以及精度也是制約復(fù)合材料復(fù)雜形狀構(gòu)件整體成型制造的重要因素，近年來隨著復(fù)合材料制品性能要求的不斷提升，也對(duì)纏繞成型設(shè)備提出了更高的要求[27–28]。

圖4 展示了纖維纏繞設(shè)備的發(fā)展歷程，纖維纏繞的概念是在20 世紀(jì)40年代正式提出的，美國科學(xué)家首次將纖維替代其他材料通過纏繞的方式生產(chǎn)了第一件復(fù)合材料制品[29]，隨后衍生出了第1 代機(jī)械式的纖維纏繞機(jī)，該纏繞機(jī)是通過由皮帶、齒輪、鏈條等結(jié)構(gòu)組成的機(jī)械式系統(tǒng)來控制芯模和小車的運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)纖維的纏繞。隨著對(duì)纖維纏繞技術(shù)的不斷研究，第2 代纖維纏繞機(jī)發(fā)展誕生，相比最初的機(jī)械式纏繞機(jī)，第二代纏繞機(jī)采用了液壓伺服馬達(dá)控制，纏繞精度有了提高，該纏繞機(jī)盡管可以實(shí)現(xiàn)非線性的纏繞，但是過程比較繁瑣并且非線性纏繞質(zhì)量并不穩(wěn)定[30]。20 世紀(jì)70年代，德國Entec 公司研制了采用數(shù)字控制的第3 代纖維纏繞機(jī)[31]，并在3年后，第1 臺(tái)成熟并標(biāo)準(zhǔn)化的纖維纏繞機(jī)型號(hào)為 Mc Clean Anderson 60[32]進(jìn)入了市場(chǎng)。在最近的幾十年中，隨著航空航天等尖端科技的飛速發(fā)展對(duì)復(fù)合材料制品提出了更高的要求，同時(shí)對(duì)提高生產(chǎn)效率降低成本也更為重視，這也促進(jìn)了纖維纏繞機(jī)的發(fā)展研制速度，多軸聯(lián)動(dòng)的纖維纏繞機(jī)逐漸興起，目前國外已經(jīng)開發(fā)了多達(dá)七軸聯(lián)動(dòng)甚至十一軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)字控制的纖維纏繞機(jī)，可以充分滿足形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形管路構(gòu)件的高精度纏繞成型。此外隨著CAD/CAM 技術(shù)的不斷發(fā)展，其在復(fù)合材料纏繞成型中也得到了日益廣泛的應(yīng)用，可以有效地提高纏繞線型及工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，在此基礎(chǔ)上，基于機(jī)器人平臺(tái)的纖維纏繞設(shè)備也逐漸發(fā)展起來，并逐步得到應(yīng)用[33–35]。

我國對(duì)纖維纏繞技術(shù)及設(shè)備的研究和開發(fā)是從20世紀(jì)60年代開始的，并且隨著航空航天及國防事業(yè)的不斷發(fā)展。目前國內(nèi)研制生產(chǎn)的纖維纏繞設(shè)備已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，隨著在哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司和北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司等科研單位的不斷研究，我國中低檔的自由度相對(duì)較低的纖維纏繞設(shè)備制造技術(shù)已經(jīng)日益成熟[36]；此外,國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及武漢理工大學(xué)等高校也在纖維纏繞設(shè)備和技術(shù)方面開展了大量的研究，并成功研制出六軸數(shù)字控制的纖維纏繞機(jī)[37]。但是對(duì)于更高精度、高自由度以及高性能的纖維纏繞機(jī)研制方面，我國還與國外存在一定的差距，并且國外對(duì)我國一直限制出口，這也對(duì)我國的纏繞設(shè)備生產(chǎn)研制的速度及水平提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件纏繞成型基本工藝流程示意圖如圖5 所示[37]，纏繞成型過程中工藝參數(shù)的合理選擇是決定復(fù)合材料管件質(zhì)量的重要條件，其中包括了纏繞形式和纏繞角度的選擇、纖維浸膠時(shí)含膠量的控制、纏繞張力、纏繞速度以及固化制度的選擇等[38]。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料管件纏繞成型質(zhì)量的影響進(jìn)行了大量的研究，研究結(jié)果表明不同纏繞角度對(duì)所制備的復(fù)合材料管件的剛度和強(qiáng)度具有顯著的影響[39–41]，纏繞張力及纏繞速度選擇不合理會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合材料管件的強(qiáng)度、耐疲勞等性能[42–43]，含膠量和固化制度的控制不當(dāng)不僅會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料管件的性能下降，同時(shí)也會(huì)對(duì)其尺寸精度和表面質(zhì)量帶來不利的影響[44–45]。

圖4 纏繞成型設(shè)備發(fā)展Fig.4 Developments of filament winding machine

圖5 纏繞成型基本工藝流程示意圖Fig.5 Process flow diagram of filament winding

相比于普通圓形截面直管來說，彎管以及多彎型管件結(jié)構(gòu)、矩形截面管件結(jié)構(gòu)以及其他異形截面管件結(jié)構(gòu)在纏繞成型過程中決定成型質(zhì)量的重要因素還包括纏繞線型的設(shè)計(jì)，測(cè)地線和非測(cè)地線纏繞的線型設(shè)計(jì)計(jì)算方法以及國內(nèi)提出的相當(dāng)圓假設(shè)等理論已經(jīng)日趨成熟，解決了不規(guī)則形狀的管路構(gòu)件的纏繞成型難題[46–48]。

此外，還有學(xué)者通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬以及二者結(jié)合等手段，對(duì)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件的拉壓變形特點(diǎn)和失效斷裂機(jī)理以及相關(guān)的影響因素進(jìn)行了分析研究[49–52]。圖6 為纏繞成型異形管路構(gòu)件圖[48,53–54]。

4 復(fù)合材料管件連接技術(shù)研究現(xiàn)狀

整體性的結(jié)構(gòu)制造是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一貫追尋的目標(biāo)，盡管采用復(fù)合材料相比起金屬材料來說可以很大程度上的提高飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)成形制造的比例，但是在目前實(shí)際的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中還存在工藝、成本和維護(hù)等原因帶來的一些限制，因此復(fù)合材料管路構(gòu)件連接還是不可避免的，也是管路構(gòu)件實(shí)現(xiàn)最終可靠和耐久服役中至關(guān)重要的一個(gè)成型制造環(huán)節(jié)。復(fù)合材料管路連接的設(shè)計(jì)相比金屬管路連接要更具有難度，復(fù)合材料管件具有顯著的各向異性，并且復(fù)合材料管件在連接的過渡區(qū)域往往存在形狀和結(jié)構(gòu)的間斷，因此極易導(dǎo)致應(yīng)力集中的情況發(fā)生，是復(fù)合材料管件連接中靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。尤其是對(duì)于飛機(jī)上具有流體傳輸?shù)茸饔玫墓苈窐?gòu)件來說，在保證復(fù)合材料管件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)還要保證管件連接時(shí)的密封性[55]。

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件的連接方式目前主要可以分為膠接和機(jī)械連接兩類，其中膠接又包括對(duì)接包纏連接、搭接包纏連接和承插口斜面膠接，機(jī)械連接主要包括法蘭連接、螺栓連接以及通過密封圈作用的承插口連接。膠接的連接方式一般主要應(yīng)用在受力或者受壓不大的復(fù)合材料導(dǎo)管連接結(jié)構(gòu)，而對(duì)于受力較大或者有特殊要求連接來說主要采用的是機(jī)械連接，其中法蘭連接又是應(yīng)用最廣泛的一類連接方式[56]。

在復(fù)合材料的機(jī)械連接方面，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者開展了大量的研究，其中包括美國空軍實(shí)驗(yàn)室、NASA、歐盟飛機(jī)制造廠商通過結(jié)合理論、試驗(yàn)和數(shù)值仿真的方法，對(duì)包括螺栓連接和法蘭連接等的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和壽命進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[57–58]，F(xiàn)eo 等[59]通過拉擠成型的方法實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料法蘭的制造，并通過試驗(yàn)和數(shù)值分析對(duì)法蘭的力學(xué)性能進(jìn)行了分析驗(yàn)證。國內(nèi)從20 世紀(jì)80年代開始對(duì)復(fù)合材料管件連接以及接頭設(shè)計(jì)開始了研究，李學(xué)閔[60]對(duì)比分析了不同的FRP 法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，許華明[61]研究分析得出通過根部加強(qiáng)可以提高玻璃鋼法蘭薄弱部位的強(qiáng)度，并且改進(jìn)凹槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從而提升法蘭連接的密封性，張帆等[62]采用三維全五向編織結(jié)合RTM 的成型方式實(shí)現(xiàn)了碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料整體法蘭和管件的制造，如圖7 所示[62]，并對(duì)制備過程中材料選擇、模具設(shè)計(jì)和固化工藝優(yōu)化進(jìn)行了分析討論。

圖6 纏繞成型異形管路構(gòu)件圖Fig.6 Special-shaped tubes manufactured by filament winding

5 結(jié)論與展望

復(fù)合材料導(dǎo)管因其優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性和材料與結(jié)構(gòu)的同一性制造等優(yōu)點(diǎn)，能夠最大限度地滿足飛機(jī)導(dǎo)管高性能輕量化整體化制造的目的和需求，本文首先介紹了纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及其主要的幾種成型工藝特點(diǎn)，并評(píng)述了纏繞成型技術(shù)制造纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料管件以及復(fù)合材料管件連接技術(shù)的近年來國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

通過復(fù)材導(dǎo)管整體制造復(fù)雜導(dǎo)管構(gòu)件能夠有效地克服現(xiàn)有導(dǎo)管生產(chǎn)技術(shù)中成形工序繁多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、原材料產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)飛機(jī)管路系統(tǒng)整體性及緊湊性的制造需求，最大程度滿足輕量化高可靠的制造需求。目前復(fù)合材料導(dǎo)管整體制造代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬導(dǎo)管構(gòu)件已成為可能，國外已經(jīng)有復(fù)材導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用并具有廣闊的市場(chǎng)前景。但是鑒于目前的國際環(huán)境和國外對(duì)國內(nèi)設(shè)備和技術(shù)的封鎖，以及國內(nèi)設(shè)備和技術(shù)發(fā)展水平的局限性，導(dǎo)致國內(nèi)復(fù)材導(dǎo)管的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量較為有限。因此，為滿足復(fù)材導(dǎo)管的高速發(fā)展趨勢(shì)以及實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)復(fù)材導(dǎo)管的成功應(yīng)用裝機(jī)，研制開發(fā)高性能數(shù)控纖維纏繞設(shè)備以及提升復(fù)材導(dǎo)管構(gòu)件纏繞成型質(zhì)量是目前亟待解決的問題。

圖7 復(fù)合材料法蘭管件整體制品Fig.7 Integrated product of composite flange and tube