羅銳祺，劉勇瓊，廖英強(qiáng)，王特

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025）

0 引 言

空中加油技術(shù)是在飛行中通過(guò)加油機(jī)向其他飛機(jī)如戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)等需要大航程的飛機(jī)補(bǔ)充燃料的技術(shù)，可以顯著提高戰(zhàn)斗機(jī)的續(xù)航能力，在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)層面航空兵部隊(duì)作戰(zhàn)中具有極其重要的支援作用。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，空軍起著越來(lái)越重要的作用，甚至決定了一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)，而飛機(jī)的作戰(zhàn)半徑、機(jī)動(dòng)能力、留空時(shí)間以及載彈量等因素對(duì)它的作戰(zhàn)能力又有著重大影響。為了提高飛機(jī)的作戰(zhàn)能力，增大飛機(jī)的航程和作戰(zhàn)半徑，加長(zhǎng)飛機(jī)的滯空時(shí)間，同時(shí)又增加飛機(jī)的載彈量，空中加油等技術(shù)得到了快速的發(fā)展[1]。空中加油技術(shù)包括空中加油設(shè)備的研制技術(shù)和相應(yīng)的空中加油飛行技術(shù)。良好的空中加油飛行技術(shù)能夠充分地發(fā)揮空中加油設(shè)備的功能。

先進(jìn)的空中加油設(shè)備能夠簡(jiǎn)化空中加油飛行技術(shù),減輕飛行員的負(fù)擔(dān)。全球有20多個(gè)國(guó)家裝備了空中加油機(jī) ，共有10多種型號(hào)、1000 多架。美國(guó)是加油機(jī)第一大國(guó) ，共裝備加油機(jī)800多架；俄羅斯是加油機(jī)第二大國(guó)，裝備各種空中加油機(jī)200多架 ；歐洲其他的國(guó)家 ，如英國(guó)、法國(guó)、意大利、西班牙、德國(guó)等擁有數(shù)量不等的加油機(jī)。在亞洲 ，印度、日本、伊朗都在積極裝備空中加油機(jī) ，已經(jīng)完成首批部分裝備[2]?？罩屑佑桶凑占佑驮O(shè)備的不同，可分為軟管-錐套式（Hose and Drogue，俗稱(chēng)軟式）空中加油和伸縮套管式（flying boom，俗稱(chēng)硬式）空中加油[3]。隨著復(fù)合材料的快速發(fā)展，空中受油管的制作材料也發(fā)生巨大的變化。受油管外形圖如圖1所示。

圖1 受油管外形圖Fig.1 Composite Aerial Refueling Receiving Pipe outline drawing

復(fù)合材料是由兩種或多種不同性質(zhì)的材料用物理和化學(xué)方法在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料。一般復(fù)合材料的性能優(yōu)于其組分材料的性能，并且有些性能是原來(lái)組分材料所沒(méi)有的，復(fù)合材料改善了組分材料的剛度、強(qiáng)度、熱學(xué)等性能。在航空航天領(lǐng)域中，使用的高性能復(fù)合材料快速發(fā)展，復(fù)合材料更廣泛地用于航天器的各種結(jié)構(gòu)組件( 例如導(dǎo)彈罩等)。復(fù)合材料是由高性能新材料組成，通過(guò)一個(gè)特殊的模制過(guò)程復(fù)合兩種或更多種異構(gòu)異質(zhì)材料，目的是滿足所需的材料性能，基于復(fù)合材料和功能陸續(xù)應(yīng)用在航天領(lǐng)域。

目前和未來(lái)20 ～30 年，將發(fā)展用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件(CFRP)的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料。 在結(jié)構(gòu)功能集成和復(fù)合材料基礎(chǔ)上，將發(fā)展智能結(jié)構(gòu)，滿足更先進(jìn)的航天器的要求[4]。目前世界各個(gè)國(guó)家空中加油管使用的以金屬材料為主。盡管使用的是鋁、鈦等輕質(zhì)金屬合金，但是金屬材料的密度相比于復(fù)合材料而言往往比較大，不符合航空航天輕量化的要求。復(fù)合材料在受油管上面的應(yīng)用完美的解決了這個(gè)問(wèn)題，復(fù)合材料受油管不僅能達(dá)到受油管設(shè)計(jì)所需要的強(qiáng)度等力學(xué)性能，而且比同等強(qiáng)度金屬材料更輕，極大地減輕了空中受油管的質(zhì)量。

本文從復(fù)合材料受油管加油過(guò)程中由于空氣擾動(dòng)等多種載荷因素造成的損傷失效出發(fā)，基于復(fù)合材料受油管的工藝過(guò)程，重點(diǎn)分析了復(fù)合材料纖維鋪層、復(fù)合材料纖維種類(lèi)和固化溫度對(duì)復(fù)合材料受油管各種性能的影響，最后分析了除此之外的內(nèi)襯溝槽和收縮端口傾角對(duì)復(fù)合材料受油管性能的影響。

1 受油管的空中擾動(dòng)與受力損傷

復(fù)合材料受油管在飛機(jī)的航行過(guò)程中，不可避免地會(huì)受到各種力學(xué)載荷的作用，以致于受油管經(jīng)常會(huì)處于受力狀態(tài)。比如在飛機(jī)起飛降落的過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)，在空中加油過(guò)程中受到加油機(jī)的尾流擾動(dòng)而產(chǎn)生的擺動(dòng)。圖2為飛機(jī)后方尾渦照片。

圖2 B767-300后方尾渦照片F(xiàn)ig.2 The rear trailing vortex picture of B767-300

飛機(jī)空中加受油時(shí)，受油機(jī)和加油機(jī)是超密集隊(duì)形編隊(duì)，受油機(jī)基本處于加油機(jī)外翼下面的位置。加油機(jī)尾流造成的復(fù)雜流場(chǎng)會(huì)使受油機(jī)出現(xiàn)抖動(dòng)、下沉、狀態(tài)劇烈變化等現(xiàn)象，給加、受油管的對(duì)接造成極大的困難，并嚴(yán)重威脅飛行安全[5]。飛機(jī)采用固定式空中受油裝置后,可能引起飛機(jī)飛行過(guò)程中的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)危及飛機(jī)的飛行安全。

劉東升[6]通過(guò)受油裝置固有頻率的計(jì)算和地面振動(dòng)試驗(yàn)確定其頻率特性，利用激波和旋渦共振理論，對(duì)受油裝置的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了一套對(duì)振動(dòng)問(wèn)題的計(jì)算分析方法。他指出盡管受油插頭等物件突出于飛機(jī)外形，對(duì)飛機(jī)本身的飛行振動(dòng)影響不大，但由于飛行速度高，飛機(jī)周?chē)鷼饬鲌?chǎng)的細(xì)微變化對(duì)受油管等突出物能夠產(chǎn)生較大振動(dòng)。這使得受油管根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響受油管的使用壽命。

在復(fù)合材料受油管的使用過(guò)程中，也正是因?yàn)槭艿捷d荷和其他外界因素的影響，會(huì)發(fā)生基體失效、纖維失效、纖維基體剪切失效、分層脫粘等不同形式的局部失效。這些局部失效的產(chǎn)生與擴(kuò)展將會(huì)使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的承載能力降低并導(dǎo)致最終破壞。復(fù)合材料受油管由于工藝上采取了預(yù)浸料和無(wú)緯布碳纖維布的鋪層結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以類(lèi)比于層合板。

哈爾濱工程大學(xué)的李偉占[7]針對(duì)含開(kāi)孔的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的損傷失效做出了模擬分析，對(duì)六種不同的失效模式（基體的壓縮失效、基體的拉伸失效、纖維的壓縮失效、纖維的拉伸失效、拉伸分層失效和壓縮分層失效）用三維實(shí)體單元計(jì)算整了個(gè)復(fù)合材料層合板損傷的初始、擴(kuò)展和最終失效的載荷值，較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)復(fù)合材料層合板的失效載荷。圖3為拉伸和壓縮載荷下的層合板仿真失效模型。對(duì)于復(fù)合材料受油管，其受到的載荷方向分為兩種，一種是軸向載荷，另一種是徑向載荷，但多數(shù)時(shí)候?yàn)閮煞N載荷力的合力。

圖3 層合板模型失效圖Fig.3 Failure diagram of laminated plate model

對(duì)于鋪層復(fù)合材料的受力損傷計(jì)算，國(guó)外也作了相關(guān)的研究。L.Ferry等[8]提出了一個(gè)新的模型，這種模型描述了不同對(duì)稱(chēng)鋪層角度下復(fù)合材料管道在雙軸拉伸和內(nèi)壓載荷作用下，其表現(xiàn)出來(lái)的受損彈塑性行為和所施加的應(yīng)力比（軸向應(yīng)力/環(huán)向應(yīng)力）有關(guān)系，還表明復(fù)合材料管道的破壞程度和材料本身的可塑性有很強(qiáng)的相互作用。

Nils等[9]提出了一種解決包含金屬襯里的厚壁壓力容器的相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題的方法，他使用了連續(xù)彈性解的方法對(duì)四個(gè)不同的失效準(zhǔn)則預(yù)測(cè)的損傷進(jìn)展涵蓋了有關(guān)橫向裂紋的損傷演化的可能范圍，當(dāng)負(fù)載的主要部分由拉伸纖維應(yīng)力支撐時(shí)，平均考慮因素和點(diǎn)考慮因素之間的差異實(shí)際上并不是很大。當(dāng)較大的載荷通過(guò)剪切應(yīng)力和橫向應(yīng)力傳遞時(shí)，管的裂紋密度和塑性變形的點(diǎn)和平均標(biāo)準(zhǔn)之間存在很大差異。

這些研究進(jìn)一步表明了復(fù)合材料受油管在受力過(guò)程中其損傷的復(fù)雜性，也進(jìn)一步說(shuō)明了復(fù)合材料受油管力學(xué)性能和其使用性能的影響因素較多。為保證在這些載荷下仍能正常使用，必須對(duì)受油管提出嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。

目前為止，對(duì)空中受油管的設(shè)計(jì)要求主要包含了靜強(qiáng)度要求、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求、耐振動(dòng)要求等。對(duì)于復(fù)合材料受油管在何種情況下達(dá)到最佳的性能，纖維鋪層、纖維種類(lèi)、固化溫度是主要影響的三個(gè)方面。

2 影響受油管性能的纖維鋪層因素

復(fù)合材料受油管的制作工藝是在鈦金屬內(nèi)襯管上鋪設(shè)不同方向的碳纖維鋪層材料，這充分利用了復(fù)合材料高強(qiáng)度高比模量和質(zhì)量輕的特點(diǎn)，發(fā)揮了復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)。在材料選定、工藝一致的情況下，鋪層角度、鋪層厚度、鋪層順序是影響受油管力學(xué)性能的主要參數(shù)。圖4是一種復(fù)合材料管道的鋪層展開(kāi)示意圖，不同角度的纖維依次層錯(cuò)鋪設(shè)在復(fù)材管上，形成復(fù)合材料鋪層管道。

圖4 復(fù)合材料管道鋪層示意圖Fig.4 Schematic diagram of composite pipe laying

如何從鋪層角度優(yōu)化復(fù)合材料層合板或復(fù)合材料管道一直是鋪層復(fù)合材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。朱勝利[10]等通過(guò)自由單元尺寸優(yōu)化方法對(duì)飛機(jī)機(jī)翼的復(fù)合材料鋪層作出了優(yōu)化，能快速準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)出計(jì)算出復(fù)合材料的鋪層比例和厚度，獲得滿足剛度條件下的最小鋪層質(zhì)量。

圖5是文中提到的超級(jí)層概念，是模擬的一大創(chuàng)新點(diǎn)，所有相同方向的層被認(rèn)為是一個(gè)超級(jí)層，可以很大程度上減少層數(shù)。這種方案有益于強(qiáng)調(diào)層合板優(yōu)化位置以及層厚度，可從最終厚度優(yōu)化結(jié)果中得到需要的鋪層數(shù)。

圖5 鋪層自由尺寸優(yōu)化的超級(jí)鋪層概念Fig.5 Lay-up free size optimization for super lay-up concept

關(guān)于鋪層的優(yōu)化方法，南京航空航天大學(xué)的白皓[11]在其碩士論文中提出一種復(fù)合材料層壓板鋪層的二級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，他對(duì) Nastran 有限元軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了層壓板厚度為離散型變量的優(yōu)化問(wèn)題，應(yīng)用共享鋪層融合法協(xié)調(diào)各區(qū)域纖維鋪設(shè)的連續(xù)性，防止了結(jié)構(gòu)相鄰區(qū)域連接處的應(yīng)力集中，保證了結(jié)構(gòu)的整體性。這種優(yōu)化方式優(yōu)化鋪層順序、鋪層厚度和鋪層比例對(duì)于復(fù)雜模型的優(yōu)化問(wèn)題同樣適用，但算法的高效性和優(yōu)化策略還需要進(jìn)一步改進(jìn)和加強(qiáng)。

鋪層的順序不僅深深影響著復(fù)合材料產(chǎn)品的力學(xué)性能，還影響著復(fù)合材料本身吸收載荷能量的能量特性。研究表明[12]，0°與 90°鋪層交替程度對(duì)復(fù)合材料圓管的吸能特性影響較大，吸收能量越多，對(duì)載荷產(chǎn)生破壞的抵抗能力越強(qiáng)，即能承受更大的載荷。圖6顯示的是0°與 90°不同鋪層順序?qū)A管屈曲載荷與峰值載荷的影響，可以看出0°與 90°交替鋪層使得管件周向與軸向可以承受相對(duì)較大的載荷。

圖6 不同鋪層順序?qū)A管屈曲載荷與峰值載荷的影響Fig.6 Influence of different lay-up sequence on bucking load and peak load of circular pipe

國(guó)外對(duì)于復(fù)合材料層合材料的研究也不在少數(shù)，主要集中的方向是分析方法的理論研究，注重復(fù)合材料力學(xué)的計(jì)算與驗(yàn)證。由于復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，這讓復(fù)合材料本身的分析和模擬計(jì)算增加了難度。William Toh[13]等對(duì)復(fù)合材料管道的機(jī)械性能進(jìn)行研究的同時(shí)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的松散特性進(jìn)行連續(xù)迭代獲得長(zhǎng)絲纏繞管中的相應(yīng)層特性，并進(jìn)一步建模和研究復(fù)合材料管在更復(fù)雜情況下（例如地下荷載）的適用性，通過(guò)了解層數(shù)，板層取向和纖維厚度，生成適當(dāng)?shù)陌鍖訉傩裕又苯臃奖憧旖莸仡A(yù)測(cè)層合板的機(jī)械性能。這項(xiàng)研究也進(jìn)一步說(shuō)明了復(fù)合材料鋪層參數(shù)對(duì)于復(fù)合材料管道的機(jī)械性能起到?jīng)Q定性的作用。

NS. Silva[14]等進(jìn)行了不同復(fù)合管配置的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，然后將其與分析和數(shù)值預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較，得出了復(fù)合管的塌陷壓力取決于初始橢圓度和層板堆疊順序這一結(jié)論。他通過(guò)簡(jiǎn)化的解析方程結(jié)合不同的破壞準(zhǔn)則，研究了不同復(fù)合管的抗倒塌能力。然后使用漸進(jìn)式破壞準(zhǔn)則開(kāi)發(fā)有限元模型，將有限元模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與不同層合堆疊順序的四根復(fù)合管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖7為四種不同層合順序下復(fù)合管壓力變形實(shí)驗(yàn)曲線和模擬曲線在不同失效準(zhǔn)則下的對(duì)比圖，顯示與現(xiàn)實(shí)吻合良好。這項(xiàng)研究說(shuō)明了采用分析軟件尋求不同復(fù)合材料的參數(shù)下復(fù)合材料層合板或復(fù)合材料管的最佳性能是可靠的。

圖7 四種復(fù)合管壓力變形曲線和模擬曲線對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagram of deformation curve and simulation curve of four kinds of composite pipe

綜上所述，復(fù)合材料受油管的鋪層優(yōu)化對(duì)于提高復(fù)合材料受油管的性能和降低質(zhì)量有著巨大的潛在意義，而層合板的鋪層變化種類(lèi)數(shù)不勝數(shù)，這是鋪層優(yōu)化的復(fù)雜之處，主要集中的三點(diǎn)即：鋪層厚度、鋪層角度和鋪層順序，建立正確的模型和仿真思路是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

3 影響受油管性能的纖維種類(lèi)因素

復(fù)合材料受油管使用的鋪層材料包括預(yù)浸帶、無(wú)緯布和碳布三種，這三種鋪層材料的相同之處即都是使用的碳纖維制作而成，碳纖維的力學(xué)性能直接影響著受油管整體的抗損傷性能和力學(xué)強(qiáng)度。

碳纖維材料分類(lèi)很多，主要是按照其原料種類(lèi)分類(lèi)可以分為三種：PAN原絲、瀝青纖維和粘膠絲。因此其對(duì)應(yīng)的名字分別叫做PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維?，F(xiàn)在應(yīng)用較多的是PAN基碳纖維，其產(chǎn)量也最高高達(dá)90%以上，而應(yīng)用較少的是粘膠基碳纖維，產(chǎn)量也是最低的，不足百分之一[15]。

根據(jù)力學(xué)性能可將碳纖維分為 ：超高模量碳纖維、高強(qiáng)度碳纖維、高模量碳纖維、超高強(qiáng)度碳纖維、高性能碳纖維和通用碳纖維，其中超高模量碳纖維的模量需大于450GPa， 超高強(qiáng)度碳纖維的強(qiáng)度需大于4 000mPa。根據(jù)絲束可分為1k- 24k 的小絲束纖維和48～480k 的大絲束纖維[16]。目前碳纖維的拉伸強(qiáng)度從2GPa到8GPa，拉伸模量從200GPa到750GPa，而工業(yè)化應(yīng)用的超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度僅2GPa，鋼的模量是210GPa，也就是說(shuō)，碳纖維的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量是超高強(qiáng)度鋼的1-4倍，而密度僅為鋼的1/5。

由此應(yīng)用在受油管上的纖維種類(lèi)不同，受油管的力學(xué)性能也將不一樣。纖維的發(fā)展是跟隨現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展而不斷得到提高的，纖維發(fā)展的總體表現(xiàn)為強(qiáng)度由低到高，密度由高到低。世界上以碳纖維為主的生產(chǎn)公司主要有八家，亞洲以日本東麗公司[17]為代表，在亞洲日本本土，東麗公司建立了世界上碳纖維最大生產(chǎn)基地之一的ESHIME碳纖維廠，在原有碳纖維生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上又建立了1800t/y 的碳纖維生產(chǎn)線。在歐洲，法國(guó)ABIDOS建立了以SIFOCA為名的碳纖維生產(chǎn)廠，主要生產(chǎn)T系列的T300和T800H，M系列的M40和MJ系列的M40J和M46J碳纖維。在美國(guó)ALABAMA州的DECUTUR設(shè)立了東麗碳纖維（美國(guó)）公司，也建成1800t/y的碳纖維生產(chǎn)線，專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)高性能碳纖維，包 括：T600S、T700S、T700G、M30S和M30G。不同的碳纖維用不同的牌號(hào)表示，每種碳纖維的各項(xiàng)性能不一樣，或者成絲纖維根數(shù)也不一樣，表1是東麗公司材料與加工工程促進(jìn)學(xué)會(huì)年會(huì)與展覽上展出的各種不同碳纖維種類(lèi)。

表1 東麗公司的碳纖維與性能Table 1 Taray carbon fiber with properties

碳纖維的種類(lèi)對(duì)于復(fù)合材料受油管的性能表現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，性能優(yōu)良的纖維能夠大大優(yōu)化受油管復(fù)合材料鋪層的強(qiáng)度以及受油管的使用性能，但纖維的造價(jià)不一，在經(jīng)費(fèi)有限的情況下，使用合適的纖維種類(lèi)在科研生產(chǎn)中是必要的。其中碳纖維每束纖維根數(shù)、拉伸強(qiáng)度和拉伸模量都是碳纖維重要的物理性能，其值的大小也直接決定受油管宏觀物理性能，如韌性，強(qiáng)度，抗疲勞性能等。

4 影響受油管性能的其他因素

受油管的性能不僅受鋪層因素的影響，還與工藝過(guò)程中的其他因素有關(guān)。復(fù)合材料受油管最常見(jiàn)的問(wèn)題除了裂紋和損傷之外，金屬與復(fù)合材料鋪層的界面層脫粘也是一類(lèi)常見(jiàn)問(wèn)題。環(huán)氧樹(shù)脂作為預(yù)浸帶、無(wú)緯布等的基體材料，在鋪層鋪設(shè)的時(shí)候，更作為重要的粘接劑使各鋪層界面粘接牢固。陳澤明[18]等人對(duì)一種環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑做出了改進(jìn)，使其能夠適用于復(fù)合材料的粘接，他們采用了有機(jī)硅液體橡膠增韌改性E-51型環(huán)氧樹(shù)脂，以200#聚酰胺樹(shù)脂為固化劑，合成了一種可室溫固化的環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑，這種環(huán)氧膠粘劑對(duì)碳/環(huán)氧復(fù)合材料、碳/雙馬復(fù)合材料和環(huán)氧玻璃鋼復(fù)合材料等復(fù)合材料的粘接強(qiáng)度均超過(guò)20MPa。環(huán)氧樹(shù)脂的穩(wěn)固性和強(qiáng)粘接性是復(fù)合材料受油管使用過(guò)程中性能表現(xiàn)優(yōu)良的重要保證。

固化溫度是另外一個(gè)對(duì)復(fù)合材料受油管性能有間接影響的因素。包纏復(fù)合材料的最后一步成型工藝是將復(fù)合材料受油管預(yù)成品放入固化爐內(nèi)進(jìn)行加熱固化，使環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生熱固效應(yīng)從而形成環(huán)氧樹(shù)脂基體。溫度是固化的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，不同的溫度產(chǎn)生的固化效果不一樣，固化過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力。梁群[19]等對(duì)復(fù)合材料殼體固化成型過(guò)程中的殘余應(yīng)力和形變做出了分析，他結(jié)合殼體的實(shí)際成型過(guò)程，并考慮樹(shù)脂的固化放熱、固化收縮和復(fù)合材料的各向異性特征，對(duì)復(fù)合材料殼體固化成型過(guò)程中的熱傳遞、殘余應(yīng)力衍化和固化變形進(jìn)行了數(shù)值研究，得出了以凝膠點(diǎn)為分界線的固化過(guò)程殼體的不同膨脹收縮情況。他這一研究表明固化過(guò)程溫度梯度的設(shè)計(jì)尤為重要，設(shè)計(jì)不當(dāng)容易在固化過(guò)程中造成材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力及變形。圖8為復(fù)合材料殼體在固化過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖。

圖8 固化過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖Fig.8 Stress and strain distribution during curing

固化溫度除了梯度外，固化溫度值本身對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能也起到重要影響。鄭超[20]對(duì)不同環(huán)境狀態(tài)和不同固化溫度下的復(fù)合材料層壓板拉伸性能做出了測(cè)試，結(jié)果表明低溫不影響環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，高溫高濕環(huán)境下力學(xué)性能下降較明顯，且190℃固化后環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最高。不同溫度下的復(fù)合材料拉伸性能如表2所示。

表2 23℃干態(tài)不同固化溫度下復(fù)合材料的90°拉伸性能Table 2 90° Tensile Properties of Composites at 23℃ Dry State and Different Curing Temperatures

為了避免產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中，鈦金屬管的縮口設(shè)計(jì)角度比較小，在復(fù)合材料層間不至于產(chǎn)生較大的層間離脫力，使界面開(kāi)裂。由此內(nèi)襯金屬管的縮口端傾角也是影響復(fù)合材料受油管的因素之一。除此之外，金屬內(nèi)襯管表面設(shè)計(jì)的溝槽也可以使復(fù)合材料與金屬形成嵌入結(jié)構(gòu)，避免滑脫，溝槽的形狀的可設(shè)計(jì)性使之也成為影響界面粘接性能的因素。

5 結(jié)論

（1）復(fù)合材料受油管相比于金屬材料受油管在相同結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下質(zhì)量更輕，更符合航天發(fā)展的需求。

（2）空中加油過(guò)程中作為受油端，受油管在飛機(jī)尾流等空氣動(dòng)力學(xué)因素的擾動(dòng)下，所受到的徑向或橫向載荷是復(fù)雜多變的，容易造成受油管的根部開(kāi)裂，復(fù)合材料鋪層的基體和纖維失效。

（3）影響復(fù)合材料受油管性能的纖維鋪層因素主要表現(xiàn)在鋪層厚度、鋪層角度和鋪層順序三個(gè)方面，不同的鋪層厚度、鋪層角度和鋪層順序?qū)?fù)合材料受油管的性能影響也不同。

（4）影響復(fù)合材料受油管性能的纖維種類(lèi)因素主要是纖維的物理性能本身，性能越好的纖維，相應(yīng)鋪層的受油管性能也越好，在需求范圍內(nèi)控制成本對(duì)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是必要的。

（5）影響復(fù)合材料受油管性能的固化溫度因素表現(xiàn)在固化溫度梯度和固化溫度值兩方面，固化溫度梯度設(shè)計(jì)不當(dāng)容易造成材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力及變形，固化溫度值影響環(huán)氧樹(shù)脂固化之后的力學(xué)性能。