近年來普通類航空器蓬勃發展，其安全性也逐漸受到重視。普通類航空器中使用單往復式引擎的載具如輕型運動飛行載具，其高死亡率顯示該類型飛機在結構上仍需改善。安全性的提升仰賴載具適墜性的改善，改善方法為強化結構或改變材料。本研究應用有限元素軟體Abaqus配合拓樸結構最佳化對CH701座艙結構進行改良，以達到提升結構強度之目的。動態墜撞模擬邊界條件依據AGATE訂定的墜撞角度與ASTM規範的降落速度。以MIL-STD-1290A的15%安全規範建立安全區域。本研究結果得知最佳化模型在斜樑安全區域提升12%，X方向安全提升13%，Y方向下降6%，整體安全區域提升10%，以上結果顯示拓樸結構最佳化能夠改善飛機結構適墜性。

In recent years, the general aviation develop to flourish, and also get more attention on security of general aviation. The general aviation which use single piston engine such as light aircraft and light sport aircraft, its high fatal rate also point out the structure needed to be improve. Improving security dependant on the crashworthiness of the aircraft, and the way to improve is strengthen structure and change material. This study use Abaqus, the finite element software and topology optimization to achieve the goals of enhance structure strength. Boundary conditions of dynamic simulation are impact angle defined by AGATE and landing speed followed by ASTM. Build safety zone base on 15% safe reducing rate by MIL-STD-1290A. The result of this study is that optimum model compare with original model, the safety zone of cant beam increase 12%, the safety zone along x direction increase 13%, and the total safety zone increase 10%. The above results show that the crashworthiness of optimum model is better than original model.

中文摘要                                                                                                                         I 
英文摘要                                                                                                                        II 
目錄                                                                                                                              III 
圖目錄                                                                                                                          IV 
表目錄                                                                                                                          VI 
第一章、緒論                                                                                                                1 
1 1 前言                                                                                                                 1 
1 2 研究動機                                                                                                         4 
1 3 適墜性介紹                                                                                                     9 
1 4 研究目的與方法                                                                                           12 
第二章、文獻回顧                                                                                                      14 
2 1 輕型運動飛行載具的相關定義                                                                   14 
2 1 1 美國關於輕型運動飛行載具的定義                                                14 
2 1 2 歐洲關於超輕型航空載具的定義                                                    15 
2 1 3 加拿大關於超輕型航空載具的定義                                                16 
2 1 4 我國超輕型航空載具的定義                                                            16 
2 2 基於適墜性的結構改良                                                                               18 
2 3 結構最佳化應用於結構改良                                                                       21 
第三章、基礎理論                                                                                                      26 
3 1 Abaqus 簡介                                                                                                   26 
3 2 Abaqus/Optimization                                                                                       27 
3 3 Abaqus/Explicit                                                                                                31 
第四章、實驗設計與結果討論                                                                                  35 
4 1 模型建立                                                                                                       37 
4 1 1 建立原始模型                                                                                    37 
4 1 2 建立最佳化模型                                                                                40 
4 2 模型分析                                                                                                       52 
4 2 1 網格                                                                                                    52 
4 2 2 墜撞邊界條件                                                                                    55 
4 3 結果與討論                                                                                                   58 
4 3 1 原始模型與最佳化模型之速度與壓縮量關係比較                        65 
4 3 2 原始模型與最佳化模型之角度與壓縮量關係比較                        67 
4 3 3 原始模型與最佳化模型之安全區域                                                69 
第五章、結論與建議                                                                                                  75 
參考資料                                                                                                                      77 
附錄                                                                                                                              79

圖目錄 
圖1-1 2005 年GA 事故駕駛總飛行時數                                                              8 
圖1-2 2005 年GA 事故飛行器使用的引擎類別                                                  8 
圖1-3 本研究總流程圖                                                                                         13 
圖2-1 防火牆與引擎架不同改良方式                                                                 18 
圖2-2 機艙兩側加入縱樑強化結構                                                                     19 
圖2-3 緩衝座椅組件                                                                                             19 
圖2-4 S 型支撐座椅                                                                                              20 
圖2-5 改良地板結構                                                                                             20 
圖2-6 一般機身設計循環                                                                                     22 
圖2-7 拓樸機身設計循環                                                                                     23 
圖2-8 拓樸最佳化使用的CAD 模型                                                                   24 
圖2-9 定義拓樸最佳化之需求                                                                             25 
圖2-10 拓樸最佳化之輸出結果                                                                           25 
圖3-1 Abaqus 結構最佳化流程                                                                            30 
圖4-1 本研究之實驗分析流程                                                                             36 
圖4-2 STOL CH701 三視圖                                                                                  38 
圖4-3 簡化後原始機身模型外型圖                                                                     39 
圖4-4 用於拓樸最佳化之實心立方體模型                                                         42 
圖4-5 實心立方體模型之邊界條件                                                                     43 
圖4-6 實心立方體模型之拓樸最佳化結果                                                         43 
圖4-7 實心立方體模型之拓樸最佳化結果(側視圖)                                           43 
圖4-8 用於拓樸最佳化之空心立方體模型之剖面圖                                         44 
圖4-9 空心立方體模型之拓樸最佳化結果                                                         44 
圖4-10 空心立方體模型之拓樸最佳化結果(前視圖)                                         44 
圖4-11 空心立方體模型之拓樸最佳化結果(側視圖)                                         45 
圖4-12 各邊厚度為1 mm 空心立方體模型示意圖                                            45 
圖4-13 以各邊厚度1 mm 空心立方體模型最佳化之結果                                45 
圖4-14 以各邊厚度1 mm 空心立方體模型最佳化之結果(前視圖)                  46 
圖4-15 以各邊厚度1 mm 空心立方體模型最佳化之結果(側視圖)                  46 
圖4-16 實心模型製作示意圖                                                                               48 
圖4-17 拓樸最佳化之設計區域                                                                           49 
圖4-18 拓樸最佳化之目標函數設定                                                                   49 
圖4-19 實心模型經拓樸後得到最佳化模型                                                       50 
圖4-20 原始模型與最佳化模型比較                                                                   51 
圖4-21 原始模型與最佳化模型比較(側視圖)                                                     51
圖 4-22 單層一階減積分元素                                                                               53 
圖4-23 四層一階減元素積分                                                                               53 
圖4-24 一階四面體與二階四面體元素節點示意圖                                           54 
圖4-25 2002 年AGATE 整合的GA 事故數據                                                   56 
圖4-26 AGATE 定義之墜撞條件                                                                         57 
圖4-27 原始模型墜撞時能量變化圖                                                                   59 
圖4-28 最佳化模型墜撞時能量變化圖                                                               60 
圖4-29 原始模型墜撞時Penalty work 變化圖                                                    60 
圖4-30 最佳化模型墜撞時Penalty work 變化圖                                                61 
圖4-31 墜撞速度18 05 m/s 之模型墜撞圖                                                         62 
圖4-32 墜撞速度27 08 m/s 之模型墜撞圖                                                        62 
圖4-33 墜撞速度36 1 m/s 之模型墜撞圖                                                           62 
圖4-34 墜撞速度45 13 m/s 之模型墜撞圖                                                         63 
圖4-35 墜撞速度54 2 m/s 之模型墜撞圖                                                           63 
圖4-36 墜撞速度63 18 m/s 之模型墜撞圖                                                         63 
圖4-37 墜撞速度72 2 m/s 之模型墜撞圖                                                           64 
圖4-38 墜撞速度81 23 m/s 之模型墜撞圖                                                         64 
圖4-39 墜撞速度90 3 m/s 之模型墜撞圖                                                           64 
圖4-40 原始模型於不同速度下壓縮量變化                                                       65 
圖4-41 最佳化模型於不同速度下壓縮量變化                                                   66 
圖4-42 原始模型於不同角度下壓縮量變化                                                       67 
圖4-43 最佳化模型於不同角度下壓縮量變化                                                   68 
圖4-44 原始模型之斜樑安全區域                                                                       71 
圖4-45 最佳化模型之斜樑安全區域                                                                   71 
圖4-46 原始模型之機艙X 方向安全區域                                                          72 
圖4-47 最佳化模型之機艙X 方向安全區域                                                      72 
圖4-48 原始模型之機艙Y 方向安全區域                                                          73 
圖4-49 最佳化模型之機艙Y 方向安全區域                                                      73 
圖4-50 原始模型之機艙整體安全區域                                                               74 
圖4-51 最佳化模型之機艙整體安全區域                                                           74

表目錄 
表1-1 1994 至2011 年全球GA 交易量                                                                 2 
表1-2 1994 至2011 年全球GA 交易金額                                                             3 
表1-3 1990 至1999 年美國航空器每年平均死亡事故                                        4 
表1-4 2002 至2011 年美國普通類航空器事故與致命事故                                4 
表1-5 2005 至2011 年台灣超輕型航空載具事故統計                                        6 
表4-1 CH701 規格                                                                                                 38 
表4-2 鋁合金6061-T6 主要材料特性                                                                39 
表4-3 Abaqus 單位對照表                                                                                    40 
表4-4 四起相似飛航事故及其速度統計                                                             56 
表4-5 本研究動態模擬邊界條件                                                                         57

參考資料
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[20]ZENAIR, http://www.zenithair.com 

[21]MatWeb, http://www.matweb.com 

[22]「Abaqus基礎訓練」訓練教材，士盟科技股份有限公司，2013年。

[23]「Abaqus顯式進階動力學分析」訓練教材，士盟科技股份有限公司，2013年。

[24]Steven J. Hooper, Marilyn Henderson and Waruna Seneviratne, “Design and Construction of a Crashworthy Composite Airframe”, AGATE-WP3.4-034026- 
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[25]“Standard Specification for Design and Performance of a Light Sport Airplane”, ASTM F2245-11, 2012.