臺灣博碩士論文加值系統

航空業的快速發展提供交通上莫大的便利，但在無法避免飛航事故發生的情況下，如何保障飛機上乘客的安全，是航空界最重要的議題。近年來複合材料在航太界的應用逐漸取代了許多傳統金屬材料。由於複合材料與金屬材料在特性上的差異，因此無法以過去金屬結構飛機的各種經驗來評估複合材料飛機結構的安全性，所以複合材料飛機的結構安全性是重要的研究方向。
本研究運用有限元素軟體(Abaqus)探討金屬材料與不同複合材料輕航機機身結構的適墜性。本文使用Pro/ENGINEER建立STOL CH 701機身結構，材料分別為鋁合金、碳纖維複合材料(CFRP)、玻璃纖維複合材料(GFRP)以及高分子纖維複合材料(KFRP)。模擬之邊界條件為依據ASTM規範的1.3 墜撞速度與AGATE所訂定的30o墜撞角度，動態模擬以墜撞能量的輸出做為結果合理性判斷的依據。
本研究根據MIL-STD-1290A所規定的座艙壓縮量在各方向的壓縮量不得超過15%的安全標準下，建立速度與角度的安全區域。CFRP與GFRP座艙整體安全區域分別高於鋁合金座艙38.56%與32.12%，KFRP座艙安全區域則略低於鋁合金座艙4.74%。整體座艙安全區域無論是改變角度或是改變速度，A斜樑都是關鍵的結構件。在四種不同機身材料中，CFRP做為座艙材料除了在Y方向撞擊時之變形量略高於鋁合金座艙之外，在墜撞時X方向與A方向的壓縮量都小於其他材料，而其整體座艙的安全性也都優於其他材料。

People pay more attention to aircraft because of the growth of aviation industry. In the past few years, metal materials be replaced by composite materials because of the advantages of composite materials. The flight accidents cannot be avoided, so it is an important issue to discuss the crashworthiness of composite aircraft.

In this study we use finite element software, such as Abaqus to discuss the crashworthiness and the safety crash zone of the cockpit by using metal and composite materials. We used Pro/ENGINEER to build STOL CH 701 model and the materials used is aluminum, carbon fiber composite material, glass fiber composites and polymer fiber composites. The boundary conditions are 1.3 followed by ASTM, and 30o impact angle defined by AGATE. The result of dynamic simulation must conform 15% cockpit reducing rate which is define by MIL-STD-1290A.

In this study the safety crash zone of the cockpit by CFRP and GFRP are higher than 38.56% and 32.12% that of aluminum alloy. The safety crash zone of KFRP is slightly lower than 4.74% that of aluminum alloy. The safety crash zone of the cockpit either change the angle or change the speed, A inclined beams are the key structural. In four different kinds of materials, the deformation of CFRP impact only the Y direction slightly higher than the deformation of aluminum alloy, and the X direction and A direction are lower than the deformation of any other materials. Also the whole safety crash zone of the cockpit by CFRP is better than the whole safety crash zone of the cockpit by other materials.

目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 V
表目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2 飛安事故 2
1.3 適墜性的概念 7
1.3.1 適墜性的定義與重要性 7
1.3.2 適墜性分析的邊界條件 9
1.4 小型飛機之定義與複合材料飛機之發展 11
1.4.1 航空器之分類 11
1.4.2 普通類航空器之定義 13
1.4.3 小型飛機之相關法規 14
1.4.4複合材料應用航空器之趨勢 17
1.5 研究目的與方法 20
第二章 文獻回顧 23
2.1結構的改善 23
2.1.1 機體結構的改善 23
2.1.2地板結構的改善 24
2.1.3座椅的改善 26
2.2 材料的改善 28
2.2.1複合材料的適墜性 28
2.2.2複合材料碳纖維的改善 31
2.2.3複合材料玻璃纖維的改善 33
2.2.4複合材料高分子纖維的改善 34
第三章 基礎理論 36
3.1 ABAQUS簡介 36
3.2 ABAQUS/EXPLICIT 37
3.3 ABAQUS MATERIAL 38
3.4 ABAQUS LOAD 40
3.5ABAQUS ENERGY 42
第四章 模擬分析 44
4.1 實驗之分析流程 44
4.2 STOL CH 701的飛機參數與介紹 46
4.3邊界條件的設定 47
4.3.1墜撞速度、角度與座艙壓縮量的參數設定 48
4.3.2材料參數設定 49
4.4實驗模型設計 50
4.5金屬材料機身適墜性之動態模擬 52
4.6 複合材料機身適墜性之動態模擬 59
4.6.1 T300/934碳纖維複合材料 59
4.6.2 M9.6 Hexcel玻璃纖維複合材料 66
4.6.3 Kevlar 149 Aramid/Epoxy高分子纖維複合材料 74
4.7不同材料模擬結果之比較 82
4.8座艙安全區域 87
第五章 結論與建議 97
參考資料 100
附錄 103 

圖目錄
圖1-1 普通類航空器事故機師總飛行時數 3
圖1-2 普通類航空器事故使用的引擎類別 3
圖1-3 AGATE定義之速度及角度衝擊條件 9
圖1-4 AGATE定義的墜撞姿態條件 10
圖1-5 ICAO ANNEX7分類表 12
圖1-6 AOPA對GENERAL AVIATION之分類 13
圖1-7本研究的總流程 22
圖2-1機身結構改良 23
圖2-2防火牆設計 24
圖2-3 Z-STRUT的機身適墜測試 25
圖2-4 Z-STRUTS結構的組成示意圖 25
圖2-5 Z-STRUT能量吸收的變形方式 25
圖2-6 NASA為農業輕型飛機研發的適墜性座椅 27
圖2-7改良後座椅 27
圖2-8 鋁合金起落架之疲勞壽命比較 29
圖2-9 墜撞角度30O速度與金屬及複材座艙壓縮量的關係 30
圖2-10 波音767複合材料分布 32
圖2-11 波音787複合材料分布 32
圖2-12 波音747到波音787複合材料比重成長趨勢 33
圖3-1 ELASTIC(彈性)參數設定的五種模組 38
圖3-2 BOUNDARY CONDITION的設定 40
圖3-3 PREDEFINED FIELD的設定 41
圖4-1 分析模擬流程圖 45
圖4-2 STOL CH 701三視圖 46
圖4-3 CH 701座艙與機身3D模型 50
圖4-4 ABAQUS網格化之CH 701機身 51
圖4-5 座艙之X方向、Y方向與A斜樑方向之示意圖 51
圖4-6鋁合金機身撞擊過程中之能量變化圖 52
圖4-7鋁合金機身在不同之撞擊角度所產生之變形量 55
圖4-8鋁合金機身在不同撞擊角度與座艙壓縮量之關係 56
圖4-9鋁合金機身在以不同之撞擊速度所產生之變形量 57
圖4-10鋁合金機身在不同撞擊速度與座艙壓縮量之關係 58
圖4-11 CFRP機身撞擊過程中之能量變化圖 59
圖4-12 CFRP機身在不同撞擊角度所產生之變形量 62
圖4-13 CFRP機身在不同撞擊角度與座艙壓縮量之關係 63
圖4-14 CFRP機身在不同之撞擊速度所產生之變形量 64
圖4-15 CFRP機身在不同撞擊速度與座艙壓縮量之關係 65
圖4-16 GFRP機身撞擊過程中之能量變化圖 66
圖4-17 GFRP機身在不同之撞擊角度所產生之變形量 69
圖4-18 GFRP機身在不同的撞擊角度與座艙壓縮量之關係 70
圖4-19 GFRP機身在不同之撞擊速度所產生之變形量 72
圖4-20 GFRP機身在不同撞擊速度與座艙壓縮量之關係 73
圖4-21 KFRP機身撞擊過程中之能量變化圖 74
圖4-22 KFRP機身在不同之撞擊角度所產生之變形量 77
圖4-23 KFRP機身在不同撞擊角度與座艙壓縮量之關係 78
圖4-24 KFRP機身在不同之撞擊速度所產生之變形量 80
圖4-25 KFRP機身在不同撞擊速度與座艙壓縮量之關係 81
圖4-26不同材料機身在不同撞擊速度與座艙壓縮量之關係 84
圖4-27不同材料機身在不同撞擊角度與座艙壓縮量之關係 86
圖4-28鋁合金機身之座艙X方向安全區域 89
圖4-29鋁合金機身之座艙Y方向安全區域 89
圖4-30鋁合金機身之斜樑安全區域 90
圖4-31鋁合金機身之座艙整體安全區域 90
圖4-32 CFRP機身之座艙X方向安全區域 91
圖4-33 CFRP機身之座艙Y方向安全區域 91
圖4-34 CFRP機身之斜樑安全區域 92
圖4-35 CFRP機身之座艙整體安全區域 92
圖4-36 GFRP機身之座艙X方向安全區域 93
圖4-37 GFRP機身之座艙Y方向安全區域 93
圖4-38 GFRP機身之斜樑安全區域 94
圖4-39 GFRP機身之座艙整體安全區域 94
圖4-40 KFRP機身之座艙X方向安全區域 95
圖4-41 KFRP機身之座艙Y方向安全區域 95
圖4-42 KFRP機身之斜樑安全區域 96
圖4-43 KFRP機身之座艙整體安全區域 96 

表目錄
表1-1 2005到2012年我國輕航機事故統計 5
表1-2 四起相似的飛航事故及其速度統計 10
表1-3 FAR、EASA與LAMAC對於小型飛機的法規 16
表1-4 NASA ACEE計畫中使用複合材料的結構與零件 20
表4-1 STOL CH 701的規格 47
表4-2 不同墜撞速度與固定墜撞角度的參數設定 48
表4-3 固定墜撞速度與不同墜撞角度的參數設定 48
表4-4 鋁合金與複合材料之材料參數 49
表4-5 鋁合金機身與複合材料機身重量之比較 49
表4-6 ABAQUS單位對照表 51
表4-7 不同材料之座艙在速度18.05 m/s及角度30o之能量比較 86
表4-8 不同材料之座艙安全區域 88

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[26]http://www.autooo.net/utf8-classid78-id90804.html

[27]Steven J. Hooper, and J. B. Dwerlkotte Assoc, “Estimation of Firewall Loads due to Soft Soil Impact”, AGATE-WP3.4-034026-087, Rev. A, March 1, 2002.

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[33]黃婉庭，「玻璃纖維複合材料使用於輕型飛機起落架之疲勞模擬分析」，私立淡江大學航空太空工程學系碩士論文，2013年6月。

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[37]韓榮第、金遠強，「航空用特殊材料加工技術」，崧博出版，2012年12月26日。

[38]Boeing Environmental Technotes, “Arcraft & Composite Recycling”, Volume 12, Number 1, December, 2007.

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[40]http://www.grob-aircraft.com/

[41]http://composite.about.com/od/aboutglass/a/Uses-Of-Fiberglass.htm

[42]High-Performance Composites, “Thermoplastic composites gain leading edge on the A380”, March, 2006.

[43]Fokker Aerostructures, “Along the bond line Ground breaking aircraft structures”

[44]Guy Norris and Mark Wagner, “Airbus A380: Superjumbo of the 21st Century”, 2005.

[45]“Airplane Flight Manual DA40”, Diamond Aircraft Industries GmbH, Rev.8, 1 December 2010, pp.7-3~7-6.

[46]FAA, “Aviation Maintenance Technician Handbook-Airframe Volume1”, 2012, pp.7-4~7-5.

[47]Soojin Park, Min-Kang Seo, “Interface Science and Composites”, ISBN:978-0-12-375049-5, Great Britain, 2011, pp.456.

[48]Marshall Cavendish Corporation, “How it Works: Science and Technology”, Third Edition, ISBN:0-7614-7314-9,Malaysia, 2003, pp.1806.

[49]DuPont, http://www.dupont.com/

[50]Dassault Systèmes. Simulia Corp. 世盟瑞其CAE團隊編著，「最新Abaqus實務入門」。

[51]ZENAIR, http://www.zenithair.com

[52]ASTM Stardands on Light Sport Aircraft, ASTM, 2008.

[53]ASM Aerospace Specification Metals Inc., http://asm.matweb.com/

[54]T300/934 Carbon/Epoxy Unidirectional Prepreg,
http://composite.about.com/library/data/blc-t300-934-1.htm

[55]DOE/MSU composite material fatigue database Version 19,March 31, 2010.

[56]Kevlar 149 Aramid/Epoxy Unidirectional Prepreg,
http://composite.about.com/library/data/bla-k149epoxy.htm