羅 睿, 李 勇, 還大軍, 王武強(qiáng), 劉洪全, 王俊生, 楊 瀟

（南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016）

直升機(jī)是一種中低空低速飛行器，由于其垂直起降、超低空突防、安全性高和對起落場地要求低等特性，作為一種機(jī)動(dòng)性極強(qiáng)的火力平臺(tái)和運(yùn)輸工具[1]，在地形偵查、火力支援、物資運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)等軍事、民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。直升機(jī)傳動(dòng)軸基于整機(jī)結(jié)構(gòu)特性和設(shè)計(jì)要求，起到傳遞系統(tǒng)所需功率和轉(zhuǎn)速的作用[3]，通常采用薄壁結(jié)構(gòu)，在支承傳動(dòng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)動(dòng)件高速回轉(zhuǎn)的同時(shí)，還需要承擔(dān)扭矩。且由于直升機(jī)經(jīng)常會(huì)做出非勻速的空間機(jī)動(dòng)飛行運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致傳動(dòng)軸需要同時(shí)承受在飛行過程中因質(zhì)量不平衡與氣流擾動(dòng)產(chǎn)生的各種不同激勵(lì)、沖擊、交變載荷[4]，一旦出現(xiàn)嚴(yán)重故障大概率將導(dǎo)致機(jī)毀人亡。

金屬傳動(dòng)軸固有頻率低，因此直升機(jī)的金屬驅(qū)動(dòng)軸一般為分段式，整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、自重大、傳遞扭矩時(shí)損耗嚴(yán)重。隨著直升機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)金屬傳動(dòng)軸已越來越不能滿足使用需求。用比強(qiáng)度、比模量高，阻尼減振性、耐腐蝕性好的復(fù)合材料取代傳統(tǒng)的金屬多段式傳動(dòng)軸，具有明顯的性能優(yōu)勢：（1）減輕質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重60%以上[5-6]，可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比；（2）減少振動(dòng)噪聲，降低傳動(dòng)系統(tǒng)能量損失[7]；（3）改善傳動(dòng)軸的固有頻率，避免產(chǎn)生共振，提高臨界轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)超臨界設(shè)計(jì)[8]；（4）復(fù)合材料傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)簡單，可以延長軸長，起到減少傳動(dòng)軸數(shù)目與系統(tǒng)組件的作用[9]，為直升機(jī)創(chuàng)造一個(gè)更輕、更可靠的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并降低維護(hù)成本；（5）抗彈擊能力強(qiáng)，當(dāng)復(fù)合材料傳動(dòng)軸被子彈打穿、產(chǎn)生損壞后，可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)維持直升機(jī)繼續(xù)工作，避免強(qiáng)迫著陸或終止飛行任務(wù)，大幅提高了直升機(jī)的生存能力，更加符合軍機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

復(fù)合材料傳動(dòng)軸的研究工作起源于20世紀(jì)60年代，美國的摩里遜公司、福特公司與英國的GKN公司最早推出了相關(guān)產(chǎn)品。在航空工業(yè)領(lǐng)域，美國234商用直升機(jī)、Vertrol Model 23直升機(jī)、UH-60“黑鷹”直升機(jī)、CH-47直升機(jī)、V-280“英勇”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)與RAH-66“科曼奇”直升機(jī)等航空器的傳動(dòng)軸組件均已采用復(fù)合材料制備[10-11]。而國內(nèi)研制的一些直升機(jī)的傳動(dòng)軸還是以金屬為主[3]，復(fù)合材料傳動(dòng)軸相關(guān)技術(shù)仍處初步探索階段，發(fā)展相對落后。

本文基于直升機(jī)傳動(dòng)應(yīng)用背景，綜述了復(fù)合材料傳動(dòng)軸在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備技術(shù)與連接方式方面的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，以期為擴(kuò)大復(fù)合材料傳動(dòng)軸在我國直升機(jī)中的應(yīng)用提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合材料軸管鋪層方式極大影響傳動(dòng)軸整體結(jié)構(gòu)性能（主要包括扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、抗扭剛度、臨界轉(zhuǎn)速與扭轉(zhuǎn)屈曲轉(zhuǎn)矩），以正交對稱鋪設(shè)層合結(jié)構(gòu)為例（如圖1所示）：由于傳動(dòng)軸主要承受扭轉(zhuǎn)剪切載荷，± 45°正交對稱鋪設(shè)時(shí)，纖維鋪設(shè)方向與載荷方向一致，軸管的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度[12]與抗扭剛度[13]最好，但臨界轉(zhuǎn)速與扭轉(zhuǎn)屈曲轉(zhuǎn)矩較低；鋪設(shè)0°的纖維層可以提高層合結(jié)構(gòu)的縱向彈性模量，增加傳動(dòng)軸的軸向剛度，使其旋轉(zhuǎn)臨界速度得到提升，可避免過高的運(yùn)行轉(zhuǎn)速引發(fā)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)[14]；增加90°纖維層可以提高軸管的橫向彈性模量，有利于抑制圓周方向的裂紋擴(kuò)展，增加軸管環(huán)向的剛度與強(qiáng)度，提升傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)屈曲轉(zhuǎn)矩[15]。

圖1 復(fù)合材料傳動(dòng)軸性能指標(biāo)隨正交鋪層角度變化規(guī)律 （a）扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度；（b）抗扭剛度；（c）臨界轉(zhuǎn)速；（d）扭轉(zhuǎn)屈曲轉(zhuǎn)矩Fig. 1 Variation of composite transmission shaft’s performance index with orthogonal ply angle （a） torsional strength；（b）torsional stiffness；（c）critical speed；（d）torsional buckling torque

軸管幾何特征同樣會(huì)對傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)指標(biāo)產(chǎn)生重要影響：一般來說，增大管徑或壁厚可有效提高其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、抗扭剛度、臨界轉(zhuǎn)速與扭轉(zhuǎn)屈曲轉(zhuǎn)矩[16]；減小軸長可防止軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振、避免屈曲失穩(wěn)[17]。

1.1 理論設(shè)計(jì)方法

直升機(jī)復(fù)合材料傳動(dòng)軸的理論設(shè)計(jì)方法基于經(jīng)典層合理論，精度較低，為保證制件性能，通常需要選擇較大的安全裕度，容易造成結(jié)構(gòu)冗余，一般僅作為初始設(shè)計(jì)方案。

1.1.1 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

傳動(dòng)軸主要承受扭轉(zhuǎn)剪切載荷，必須保證其自身許用剪切應(yīng)力 [τ]不 低于最大工作載荷 τmax。承載水平通常按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Tmax、 τmax分別為軸管工狀態(tài)下承受的最大扭矩與最大剪切應(yīng)力；Wt為抗扭截面系數(shù)；d、D分別為軸管的內(nèi)、外徑。

1.1.2 剛度設(shè)計(jì)

為防止扭轉(zhuǎn)角過大對傳動(dòng)軸的傳力特性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致產(chǎn)生傳力延時(shí)以及增大正反扭下的扭轉(zhuǎn)間隙現(xiàn)象，需控制單位扭轉(zhuǎn)角 φe不超過2 （°）/m，防止因過度變形而使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞：

式中： φe為 單位扭轉(zhuǎn)角；T為外加扭矩；Gxy為剪切彈性 模量；Ip為極慣性矩。

1.1.3 臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

傳動(dòng)軸在其臨界轉(zhuǎn)速下運(yùn)行會(huì)發(fā)生共振，擾度達(dá)到峰值，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生折斷現(xiàn)象[18]。由于復(fù)合材料傳動(dòng)軸的固有頻率較大，因此只需將其最大工作轉(zhuǎn)速nmax與 一階臨界轉(zhuǎn)速Ncrbe1進(jìn)行比較，滿足：nmax<0.75Ncrbe1。具體工程計(jì)算方法如下：

式中：Ncrbe為p階 臨界轉(zhuǎn)速；fnbe為 固有頻率；p為階數(shù)；L為軸管長度；Ex為縱向彈性模量；Ix為慣性矩；m為 單位長度的軸管質(zhì)量。

1.1.4 扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

當(dāng)傳動(dòng)軸的承載扭矩達(dá)到扭轉(zhuǎn)屈曲轉(zhuǎn)矩時(shí)，會(huì)使軸管發(fā)生屈曲穩(wěn)定性破壞，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證傳動(dòng)軸的最大工作轉(zhuǎn)矩小于扭轉(zhuǎn)屈曲轉(zhuǎn)矩：Tmax

式中：Tcr為 扭轉(zhuǎn)屈曲轉(zhuǎn)矩；Ex、Ey分別為縱向彈性模量和橫向彈性模量；t為軸管厚度。

根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式，基于復(fù)合材料力學(xué)，按如圖2所示的計(jì)算流程，可得復(fù)合材料傳動(dòng)軸的性能指標(biāo)參數(shù)，作為初始設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.2 有限元法

在某些特殊應(yīng)用場合，如圖3所示，還需關(guān)注直升機(jī)復(fù)合材料傳動(dòng)軸彈丸沖擊后的剩余抗扭強(qiáng)度[19-20]，此類復(fù)雜問題更加適宜通過有限元法進(jìn)行求解。隨著計(jì)算機(jī)輔助工程（computer aided engineering，CAE）軟件不斷成熟，ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件被越來越多地應(yīng)用到復(fù)合材料傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究中，以作為實(shí)驗(yàn)研究的延續(xù)和補(bǔ)充，可得到比一般工程理論解析設(shè)計(jì)方法更加精確、詳盡的仿真結(jié)果。

圖2 復(fù)合材料傳動(dòng)軸性能參數(shù)計(jì)算流程Fig. 2 Calculation process of composite transmission shaft’s performance parameters

復(fù)合材料傳動(dòng)軸由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一般被等效為薄壁長軸結(jié)構(gòu)，常用有限元模型為殼體模型與梁模型。Hu等[21]基于連續(xù)殼單元研究鋪層設(shè)計(jì)對復(fù)合材料空心軸扭轉(zhuǎn)特性的影響，結(jié)果顯示，軸管中的 ± 45°層靠近外表面時(shí)，可獲得較大的扭轉(zhuǎn)剛度。Barbosa等[22]將基于區(qū)間法的不確定性和靈敏度分析應(yīng)用于復(fù)合材料傳動(dòng)軸的簡化均質(zhì)梁理論（simplified homogenized beam theory，SHBT）模型，評估不確定參數(shù)對驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)態(tài)行為的影響。Ri等[23]基于等效模量梁理論（equivalent modulus beam theory，EMBT）研究考慮耦合效應(yīng)的復(fù)合材料傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)行為，發(fā)現(xiàn)受泊松效應(yīng)影響，導(dǎo)致傳動(dòng)軸固有頻率下降最大的為45°鋪層；受彎扭耦合效應(yīng)影響，導(dǎo)致傳動(dòng)軸固有頻率下降最大的為30°鋪層。

對比前述兩種模型，實(shí)體層合單元模型考慮了構(gòu)件厚度方向變形與法向應(yīng)力的作用，更加符合實(shí)際情況。Prasad等[24]建立了復(fù)合材料傳動(dòng)軸的三維有限元模型，并通過扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的有效性，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料傳動(dòng)軸比鋼制傳動(dòng)軸擁有更高的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、抗扭剛度與固有頻率。Henry等[20]將防彈損傷納入復(fù)合材料傳動(dòng)軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)邏輯，并制備傳動(dòng)軸樣件，驗(yàn)證了模型預(yù)測的彈丸沖擊殘余抗扭強(qiáng)度。

現(xiàn)階段，復(fù)合材料傳動(dòng)軸的主流設(shè)計(jì)方法需要根據(jù)理論設(shè)計(jì)方法或有限元法中的強(qiáng)度準(zhǔn)則/剛度準(zhǔn)則提出以 ± 45°層為主、0°與90°層為輔的一系列鋪層方案，通過比較各鋪層下軸管的其他性能，從備選方案中選出綜合性能最好的鋪層。該方式下求解效率低，且設(shè)計(jì)過程帶有一定主觀性，對設(shè)計(jì)者的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)要求較高，容易陷入不好的局部解。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的研究人員將有限元程序與退火算法[25]、遺傳算法[26]、差分進(jìn)化算法[27]等人工智能算法相結(jié)合，以復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的鋪層厚度、角度及順序作為優(yōu)化變量，同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)，智能化程度較高，在滿足使用要求的前提下自動(dòng)求解出邊界條件內(nèi)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，以減輕傳動(dòng)軸質(zhì)量、提高設(shè)計(jì)效率，保證傳動(dòng)系統(tǒng)平穩(wěn)、安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 復(fù)合材料傳動(dòng)軸典型彈擊損傷[20] （a）損傷前；（b）7.62 mm彈丸沖擊；（c）12.7 mm彈丸沖擊Fig. 3 Typical projectile impact damage with millimeter scale[20] （a）before impact shotline and laser sight；（b）7.62 mm projectile on driveshaft；（c）12.7 mm projectile on drive shaft

2 制備技術(shù)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber-reinforced polymer composites，CFRP）制品性能優(yōu)異，因此在直升機(jī)復(fù)合材料傳動(dòng)軸中的用量大大超過芳綸纖維與玻璃纖維。根據(jù)傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)特性分析可知，空心復(fù)合材料轉(zhuǎn)軸上外部扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力沿徑向方向呈線性增大的趨勢，在最外層處最大[28]，因此Karimi等[29]通過將碳纖維與其他纖維進(jìn)行混雜，根據(jù)線性降低的應(yīng)力水平和混合規(guī)則來計(jì)算纏繞層合理的纖維混合比，得到如圖4所示的成本-質(zhì)量圖，從而確定設(shè)計(jì)方案，以降低碳纖維用量、減少制造成本[30]。

圖4 不同鋪層數(shù)目下混雜纖維傳動(dòng)軸的成本-質(zhì)量圖[29]Fig. 4 Non-dominated solutions of the hybrid drive shafts for different layers[29]

直升機(jī)復(fù)合材料傳動(dòng)軸的基體材料目前以環(huán)氧樹脂和乙烯基酯樹脂等熱固性樹脂為主，強(qiáng)度高、纖維潤濕性好、尺寸穩(wěn)定性佳、固化收縮率低，且固化時(shí)無低分子物放出，但在沖擊載荷下容易發(fā)生分層、抗疲勞性能較差。因此，未來復(fù)合材料軸管的基體材料可選擇韌性更好的熱塑性樹脂，以滿足傳動(dòng)軸更高的抗疲勞失效與損傷容限要求[31]，且該類樹脂還具備可回收利用、預(yù)浸料無需冷鏈儲(chǔ)存等優(yōu)異性能，具有廣闊的發(fā)展前景。還可通過在復(fù)合材料體系中添加SiC[32]、碳納米管（carbon nanotube transistor，CNT）[33]等顆粒進(jìn)行改性，如圖5所示，起到鎖緊纖維束及增強(qiáng)纖維與基體間黏結(jié)強(qiáng)度的作用，優(yōu)化制品力學(xué)性能。

復(fù)合材料傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)可分為金屬/復(fù)合材料混合傳動(dòng)軸與純復(fù)合材料傳動(dòng)軸兩類，雖然結(jié)構(gòu)不同，但成型方法基本一致?；旌蟼鲃?dòng)軸通過將復(fù)合材料固化在鋁合金、鋁鎂合金等金屬管內(nèi)/外壁上，成型工藝簡單、不需要脫模，且由于金屬軸管的存在，方便使用焊接或機(jī)械連接的方式將傳動(dòng)軸固定在金屬法蘭上。但固化時(shí)不同材料接觸面產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)承扭強(qiáng)度降低[34]、容易形成電偶腐蝕、且減重效果有限[35]；純復(fù)合材料傳動(dòng)軸受殘余熱應(yīng)力影響較小，減重效果更加明顯，是傳動(dòng)軸研究的主要發(fā)展趨勢，目前多采用纖維纏繞工藝。

圖5 SEM下CNT在纖維間的作用[33] （a）機(jī)械鎖緊作用；（b）在纖維-基體間的連接作用Fig. 5 SEM images of CNT's effects[33] （a）mechanical locking status between the fibers；（b）connection between the fiber-matrix

2.1 纏繞成型

纏繞成型技術(shù)通過將連續(xù)纖維浸漬樹脂或使用預(yù)浸料/帶，如圖6所示，按照設(shè)計(jì)的鋪層方式纏繞到圓筒狀的芯模上，再經(jīng)過固化、脫模等工序，完成主體直筒段的成型。纏繞過程中要求紗寬排布均勻，不能出現(xiàn)離縫或者搭接過密的情況。纖維纏繞工藝一般可分為三類：干法、濕法和半干法，具體工藝流程與特點(diǎn)如圖7所示，其中，濕法纏繞成型雖然難以精確控制制品含膠量在制造過程中始終處于最優(yōu)范圍，但纖維排列平行度好，成本比干法纏繞低40%左右[36]，在復(fù)合材料傳動(dòng)軸的成型工藝中應(yīng)用最為廣泛。Tariq等[37]研究了纖維纏繞層的設(shè)計(jì)對復(fù)合材料空心軸扭轉(zhuǎn)特性的影響，發(fā)現(xiàn)螺旋纏繞層比環(huán)向纏繞層具有更高的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度與抗扭剛度（如圖8所示）。Cui等[38]測試了不同張力制度下復(fù)合材料傳動(dòng)軸的機(jī)械性能及殘余應(yīng)力，提出了確定最優(yōu)纏繞張力的方法?；诂F(xiàn)有復(fù)合材料傳動(dòng)軸濕法纏繞工藝，可考慮引入快速固化環(huán)氧樹脂[39]作為基體材料，實(shí)現(xiàn)紅外輔助在線加熱固化，大幅提高生產(chǎn)效率。

圖6 復(fù)合材料傳動(dòng)軸熱固性濕法纏繞工藝示意圖Fig. 6 Schematic diagram of thermosetting wet winding process for composite transmission shaft

圖7 纏繞成型工藝流程圖Fig. 7 Flow chart of composite winding process

圖8 纏繞方式對纖維纏繞復(fù)合材料傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)特性的影響[37]Fig. 8 Effect of carbon fiber winding layer on torsional characteristics of filament wound composite shaft[37]

2.2 三維編織VRTM成型

傳統(tǒng)復(fù)合材料纏繞制件存在層間強(qiáng)度較低的不足，針對該問題，Hao等[40]采用三維編織技術(shù)成型坯件，然后基于真空輔助樹脂傳遞模塑技術(shù)（vacuum assisted resin transfer molding，VARTM）在纖維套管中壓注樹脂、完成固化，可實(shí)現(xiàn)相對于金屬軸60.18%的減重[41]。Zhao等[42-43]使用主成分分析（principal component analysis，PCA）和模糊聚類法（fuzzy clustering method，F(xiàn)CM）對3D編織復(fù)合材料軸管在扭轉(zhuǎn)測試期間的聲發(fā)射（acoustic emission，AE）信號進(jìn)行分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度隨編織角度的增加而增大[44]（如圖9所示），破壞模式為基體開裂失效、纖維-基體剝離失效與纖維斷裂失效。在此技術(shù)下，軸管中的纖維在空間內(nèi)呈網(wǎng)狀分布，提高了制件的層間強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性[45]，但成本過于高昂，現(xiàn)階段無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

圖9 三維編織軸管不同編織角下的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線與破壞形貌[42-44]Fig. 9 Torque-torsion angle curve and failure morphology of 3D braiding composite shafts under different braiding angles[42-44]

2.3 熱壓罐固化成型

熱壓罐固化成型主要利用熱固性預(yù)浸料制備復(fù)合材料傳動(dòng)軸，通過將預(yù)浸料剪裁、鋪放在模具上，利用真空袋密封置于熱壓罐中，經(jīng)過一定時(shí)間的坯件流動(dòng)壓實(shí)過程和化學(xué)固化反應(yīng)過程后得到最終制品。基于該種成型方式，崔靜等[46]進(jìn)行了固化過程中的變形預(yù)測分析，通過設(shè)計(jì)合理的芯模結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)反向補(bǔ)償，避免成型后為達(dá)到精度要求而對軸管進(jìn)行二次機(jī)械加工。Zhang等[47]通過布拉格光纖光柵（fiber bragg grating，F(xiàn)BG）記錄熱壓罐固化時(shí)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度，并基于溫度補(bǔ)償法獲得制件的熱應(yīng)變與冷卻后的殘余應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)固化過程的應(yīng)變在線監(jiān)測。該種成型方式下，可精確控制制品含膠量，力學(xué)性能優(yōu)異，但設(shè)備復(fù)雜，人工成本和能源成本較大，且由于制件內(nèi)部產(chǎn)生的熱梯度可能會(huì)造成軸管固化不勻，產(chǎn)生殘余變形，對結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生不利影響。

2.4 原位固結(jié)成型

熱塑性復(fù)合材料韌性高、抗疲勞與抗沖擊性能好，有助于提高傳動(dòng)軸的破損安全性能，且成型時(shí)不發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，回收后可進(jìn)行二次熔融再加工，便于材料的循環(huán)利用，提高了制品的環(huán)境親和性。對于熱塑性復(fù)合材料傳動(dòng)軸，可基于原位固結(jié)技術(shù)[48]，結(jié)合纏繞成型原理，利用激光[49]或熱風(fēng)[50]等作為熱源，克服其黏度及成型溫度較高的工藝難點(diǎn)，充分縮短生產(chǎn)時(shí)間、降低制造成本。但當(dāng)前關(guān)于熱塑性復(fù)合材料傳動(dòng)軸的原位固結(jié)成型研究較少，未來應(yīng)著眼于進(jìn)一步降低制品孔隙率，力爭達(dá)到熱壓罐水平，為熱塑性復(fù)合材料傳動(dòng)軸的高效、低成本制備技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段，復(fù)合材料傳動(dòng)軸的主要成型方式為熱固性基體濕法纏繞工藝，為進(jìn)一步提高制品性能與成型效率，可基于原位固結(jié)成型技術(shù)，利用熱塑性復(fù)合材料優(yōu)異的機(jī)械性能滿足傳動(dòng)軸更高的抗疲勞失效及彈擊損傷容限要求，并利用其可加熱回收的特性，提高制件的環(huán)境親和性。

3 接頭連接方式

復(fù)合材料軸管與金屬法蘭的連接部位是整體結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，和金屬結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料構(gòu)件60%～80%的最終失效區(qū)域?yàn)榻宇^部位[51]，且金屬法蘭作為嵌入式部件，會(huì)對傳動(dòng)軸的性能指標(biāo)產(chǎn)生很大影響[52]，特別是固有頻率的下降[53-54]。因此，對復(fù)合材料傳動(dòng)軸連接方式的研究對保證直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的安全具有重大意義。

目前，機(jī)械連接、膠接和混合連接是復(fù)合材料軸管與金屬法蘭之間最為常用的三種連接方式（如圖10所示）。

圖10 復(fù)合材料傳動(dòng)軸常見連接方式 （a）機(jī)械連接；（b）膠接；（c）混合連接Fig. 10 Common connection modes of composite transmission shaft （a） mechanical joint；（b） adhesive bonded joint；（c） adhesive-bolted joint

3.1 機(jī)械連接

機(jī)械連接是直升機(jī)復(fù)合材料傳動(dòng)軸的傳統(tǒng)連接方式，通過使用鉚釘或螺紋緊固件將復(fù)合材料軸管與金屬法蘭沿著徑向方向貫穿連接在一起。Portemont等[55]研究加載速率對復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)破壞行為的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加載速率越高，損傷區(qū)域越小。Zhang等[56]建立了考慮剪切非線性的復(fù)合材料螺栓連接三維有限元模型，發(fā)現(xiàn)過大的螺栓預(yù)緊力會(huì)降低接頭連接強(qiáng)度，并提出當(dāng)螺栓與螺母具有足夠剛度且能保持預(yù)緊力時(shí)，可有效抑制連接區(qū)域的二次彎曲效應(yīng)和分層現(xiàn)象。何柏靈等[57]采用基于連續(xù)損傷力學(xué)的有限元方法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接區(qū)域0°鋪層比例過高時(shí)，接頭部位將由擠壓失效轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐模ㄈ鐖D11所示），承載能力隨之降低；而增大螺栓直徑，可使層合結(jié)構(gòu)的損傷受到抑制，提高接頭抗擠壓能力。

該連接方式易于控制質(zhì)量、抗剝離能力強(qiáng)[58]、便于拆卸[59]。但由于金屬零件的存在，連接效率較低[60]，且在復(fù)合材料軸管上開孔會(huì)破壞增強(qiáng)纖維的連續(xù)性，導(dǎo)致孔周容易在周期載荷作用下產(chǎn)生裂紋，抗疲勞性能較差[61]。

圖11 復(fù)合材料機(jī)械連接失效機(jī)制[57] （a）擠壓失效；（b）剪切失效Fig. 11 Failure mechanism of joint configuration[57] （a） bearing failure；（b） shear failure

3.2 膠接

膠接連接方式不需要開孔，以膠粘劑承擔(dān)傳載過程中的剪切應(yīng)力，通過表面處理增加膠接面粗糙度或在粘結(jié)段表面開出按照一定角度均勻分布的多個(gè)軸向凹槽與周向凹槽，提高膠接強(qiáng)度。王華等[62]探索了最佳膠接強(qiáng)度對應(yīng)的膠層厚度范圍，發(fā)現(xiàn)膠層厚度過大時(shí)會(huì)使接頭的破壞模式從剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閯冸x破壞，降低結(jié)構(gòu)承載力。Xu等[63]將膠層建模為一個(gè)獨(dú)立的三維彈性體，研究膠層承載時(shí)在厚度方向上的應(yīng)力變化規(guī)律。Aimmanee等[64]建立了變剛度復(fù)合材料軸管膠接接頭的數(shù)學(xué)模型，通過將管狀搭接接頭離散化為有限數(shù)量足夠小的分段，計(jì)算出軸管段的最佳纖維取向，從而使膠層環(huán)向剪切應(yīng)力最小化（如圖12所示）。

該連接方式質(zhì)量較輕，但加工前需要對膠接區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的表面處理工作[65]，性能受環(huán)境（濕、熱、腐蝕介質(zhì)）影響嚴(yán)重[66]，使用時(shí)存在一定老化問題，且強(qiáng)度分散性大[67]，無法傳遞大扭矩。

圖12 膠接接頭最佳纖維方向下的應(yīng)力分布[64] （a） σ1；（b） σ2；（c） τ12；（d） σ3Fig. 12 Stresses distributions of adhesive joint under optimum fibre direction[64] （a） σ1；（b） σ2；（c） τ12；（d） σ3

3.3 混合連接

混合連接的性能與特點(diǎn)介于機(jī)械連接與膠接連接之間，通過在連接區(qū)域預(yù)先制孔、涂膠后安裝緊固件或在已固化的膠接連接結(jié)構(gòu)中引入緊固件貫穿軸管與法蘭，確保膠接面失效后連接結(jié)構(gòu)不會(huì)立刻發(fā)生破壞。Chen等[68]設(shè)計(jì)了復(fù)合材料軸管混合膠鉚接頭，并研究其在–30～100 ℃大范圍溫度下的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)接頭強(qiáng)度在–30 ℃和100 ℃時(shí)分別下降了26%與43%，而在60 ℃下上升了8%，擁有比純膠接方式更好的環(huán)境適應(yīng)性。劉志明等[69]建立了膠螺混合連接接頭的強(qiáng)度預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)螺栓在承載過程中強(qiáng)化了接頭中的膠接部分，起到降低膠層剝離應(yīng)力、阻止裂紋擴(kuò)展的作用，結(jié)構(gòu)的最終失效形式表現(xiàn)為層合板孔周的壓縮失效。

該連接方式可以防止突然發(fā)生的災(zāi)難性損傷，提高傳動(dòng)軸連接位置處的破損安全性能，適用于對結(jié)構(gòu)抵抗破壞風(fēng)險(xiǎn)能力要求較高的場合[70]。但成型過程較為復(fù)雜，需要同時(shí)進(jìn)行開孔與表面處理工作，且對結(jié)構(gòu)承載能力的提高效果有限[71]，還需進(jìn)一步優(yōu)化研究。

3.4 其他連接方式

除以上三種常見連接方式，現(xiàn)有的復(fù)合材料傳動(dòng)軸連接方式還包括齒形連接、異型連接、過盈配合連接等。

傳動(dòng)軸的齒形連接方式如圖13所示，利用金屬部件上的細(xì)齒與混合傳動(dòng)軸進(jìn)行壓裝配合，使得連接件齒形咬合進(jìn)鋁軸表面，產(chǎn)生對應(yīng)的嚙合齒形，以結(jié)合壓力產(chǎn)生的摩擦力和細(xì)齒之間的配合傳遞扭矩[72]。壓裝時(shí)將一外支撐金屬環(huán)套在軸管外部，起到阻礙裝配過程中軸管徑向膨脹的作用[73]。后為實(shí)現(xiàn)該接頭在純纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸上的應(yīng)用，通過將帶齒金屬零件插入在內(nèi)壁放置有粗糙金屬膜的復(fù)合材料軸管內(nèi)部，迫使金屬膜在壓力作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生與金屬齒配合的內(nèi)齒形。該連接方式避免機(jī)械連接時(shí)復(fù)合材料軸管孔周的應(yīng)力集中現(xiàn)象與膠接時(shí)容易產(chǎn)生的弱膠接問題，具有承載能力強(qiáng)、可靠性高、加工難度適中、環(huán)境適應(yīng)性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但在壓裝時(shí)易造成復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的損傷，且由于接頭中存在金屬輔助部件，難以滿足更高的減重要求。

過盈配合連接[74]通過施加纏繞張力，以軸管與金屬法蘭間形成的干涉力傳遞扭矩，影響連接強(qiáng)度的主要因素為連接長度、徑向接觸壓力與表面粗糙度。從減重角度看，該連接方式不需要使用緊固件或黏合劑，因此連接效率最高，但實(shí)際連接強(qiáng)度較低，僅能作為一種輔助手段，提高接頭抗剝離應(yīng)力的能力。

圖13 傳動(dòng)軸齒形連接方式Fig. 13 Teeth connection of transmission shaft

異型連接要求復(fù)合材料軸管與金屬法蘭為非圓截面，傳扭時(shí)，外加集中力將轉(zhuǎn)化出一部分由軸管截面承擔(dān)的拉壓載荷[75]，從而降低了膠層中的剪切應(yīng)力，使得連接強(qiáng)度得到提升。但該連接方式制造工藝非常復(fù)雜，目前只停留在設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)階段。

現(xiàn)階段，復(fù)合材料傳動(dòng)軸的各連接方式均存在一定弊端。由于直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)連接技術(shù)的發(fā)展趨勢是無附加金屬部件連接，因此在未來研究工作中可參考預(yù)緊力齒形連接技術(shù)（pre-tightened teeth connection，PTTC）[76]，改進(jìn)傳統(tǒng)齒形壓裝方式，依靠復(fù)合材料齒與金屬齒的配合而非壓裝進(jìn)行傳扭，并結(jié)合過盈配合連接的設(shè)計(jì)思路，通過大張力纏繞技術(shù)[77]賦予齒形接頭一定的徑向成型壓力，提高連接結(jié)構(gòu)的減重效果、避免軸管損傷。

4 未來發(fā)展趨勢

復(fù)合材料傳動(dòng)軸比金屬傳動(dòng)軸的承扭能力更強(qiáng)、質(zhì)量更輕、固有頻率更大，可使傳動(dòng)系統(tǒng)在穩(wěn)定安全的運(yùn)行條件下達(dá)到良好的節(jié)能效果，但國內(nèi)相關(guān)研究較為落后，在國產(chǎn)直升機(jī)中尚未得到廣泛應(yīng)用。綜合分析現(xiàn)有直升機(jī)復(fù)合材料傳動(dòng)軸在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備技術(shù)與連接方式等關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀后，認(rèn)為未來該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)著重從以下三個(gè)方面入手，以供相關(guān)科研工作者及工程技術(shù)人員參考：

（1）深入算法優(yōu)化CAE輔助設(shè)計(jì)研究。幾何結(jié)構(gòu)與鋪層方式是復(fù)合材料傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，需權(quán)衡不同的管徑、壁厚、鋪層順序和鋪層角度滿足實(shí)際性能要求。當(dāng)前主流設(shè)計(jì)方法通常需要根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則或剛度準(zhǔn)則提出一系列鋪層方案，然后計(jì)算對應(yīng)鋪層下軸管的其他性能，經(jīng)過比較，從備選方案中選擇最合適的鋪層，效率較低，且?guī)в幸欢ㄖ饔^性，容易陷入不好的局部解。因此，可考慮在實(shí)際設(shè)計(jì)中將人工智能算法與有限元分析技術(shù)相結(jié)合，通過定義合適的邊界條件，在智能算法中嵌套有限元模型，經(jīng)過不斷迭代，自動(dòng)、全面、精確地求解出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

（2）優(yōu)化構(gòu)件使用安全性與環(huán)境親和性、提高生產(chǎn)效率。目前直升機(jī)復(fù)合材料傳動(dòng)軸多采用熱固性復(fù)合材料，抗沖擊能力較差且降解困難。采用熱塑性樹脂作為基體材料，不但能夠提升制品的韌性和抗疲勞性能，增強(qiáng)傳動(dòng)軸的彈擊生存能力，還可利用其可以反復(fù)加熱使用的特性，實(shí)現(xiàn)回收利用，具有廣闊的發(fā)展前景。同時(shí)，在未來研究工作中，應(yīng)深入探索熱塑性復(fù)合材料傳動(dòng)軸原位固結(jié)纏繞技術(shù)的相關(guān)工藝難點(diǎn)，力爭使制品性能達(dá)到熱壓罐水平，并大幅提高生產(chǎn)效率。

（3）優(yōu)化接頭形式。復(fù)合材料傳動(dòng)軸的連接區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，對比其他連接方式，齒形連接避免了機(jī)械連接時(shí)復(fù)合材料軸管孔周的應(yīng)力集中現(xiàn)象與膠接時(shí)容易產(chǎn)生的弱膠接問題，是一種較好的連接方式，但在裝配時(shí)易造成復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)損傷，且由于接頭中存在金屬輔助部件，難以滿足更高的減重要求。因此可考慮采用較輕的復(fù)合材料代替齒形接頭中壓裝產(chǎn)生的金屬內(nèi)齒形，依靠復(fù)合材料齒與金屬齒的配合而非壓裝進(jìn)行傳扭，起到提高接頭減重效果、避免軸管損傷的作用。