輕型航空器的發展與需求日漸增加，複合材料的應用比例也呈上升狀態，適墜性的考量也需要受到重視。複合材料在航空界的應用逐漸取代傳統的金屬材料，但複合材料與金屬材料兩者特性上有許多的差異，無法以傳統的金屬材料的失效分析來判斷複合材料飛機結構的安全性，因此辨別複合材料在使用上的安全性是重要的研究方向。
    本研究將使用Zenith公司的STOL CH701 的機身作為研究的目標物，利用Pro/E建立3D模型，搭配有限元素分析軟體Abaqus 分析單一纖維方向碳纖維複合材料與多層碳纖維複合材料，考慮失效與未考慮失效參數進行分析。模擬之邊界條件為依據ASTM 規範的1.3VS0墜撞速度與AGATE所訂定的30o墜撞角度，使用Abaqus/Explicit建立動態墜撞模擬以能量輸出做為數據合理性判斷依據。
    本研究依據Hashin Failure Criteria 四種失效判斷公式，討論複合材料機身考慮材料失效參數，以5種不同墜撞速度下之材料失效進行比較。在低速9 m/s，複合材料機身無失效。當速度提高，複合材料疊層中沒有0o纖維之複材機身，受墜撞衝擊力影響，無0o纖維承受主要撞擊力，則由基體材料承受導致基體產生壓縮失效。包含0o纖維材料下，多層碳纖維材料在受到撞擊後主要由纖維承受撞擊力，造成纖維壓縮失效，基體則無失效。

The development and demand for light aircrafts is increasing day by day, and the proportion of composite materials used is also on the rise. The consideration of the crashworthiness needs to be taken seriously. The application of composite materials in the aviation industry gradually replaces traditional metal materials. However, there are many differences in the properties of both composite materials and metal materials. It is impossible to judge the safety of composite aircraft structures by the failure analysis of traditional metal materials. The safety of composites is the important field to research.
This study will use the fuselage used by the company's STOL CH701 Light Sport Aircraft as the target of the study, using Pro/E to build a 3D model, with finite element analysis software Abaqus to analyze single fiber directions. Carbon fiber composite materials and multilayer carbon fiber composite materials are considered for failure and failure parameters are not considered. The boundary conditions of the simulation are based on the ASTM specification's 1.3Vs0 crash speed and the AGATE defined 30o crash angle, using Abaqus/Explicit to establish a dynamic crash simulation based on energy output as a basis for judging the rationality of the data. Based on the four kinds of failure judgment formulas of Hashin Failure Criteria, this study discusses the material failure parameters of composite materials and compares the material failures at five different crash speeds. At a low speed of 9 m/s, the composite body has no failure. When the speed is increased, the composite fuselage without 0o fiber in the composite laminate, which is affected by the impact of the crash. Because the fuselage has no 0o fiber to receive the main impact force, the matrix material will receive the impact force cause matrix to produce compression failure. With 0o fiber material, the multilayer carbon fiber material is mainly subjected to impact force after impact, resulting in fiber compression failure and no failure of the matrix.

中文摘要  i
英文摘要  ii
目錄	 iii
圖目錄	 v
表目錄	 ix
第一章 緒論  1
1.1前言  1
1.2飛安事故  1
1.3複合材料的應用趨勢  4
1.3.1金屬材料應用於航空領域  4
1.3.2 複合材料應用於航空領域  5
1.4 研究目的與方法  8
第二章 文獻回顧  10
2.1 適墜性發展與相關法規  10
2.2 金屬與複合材料破壞差異性  12
2.2.1金屬材料破壞因素  12
2.2.2 複合材料破壞因素  14
2.3 複合材料失效理論  15
2.4 單層與多層複合材料差異  17
第三章 基礎理論  19
3.1 Abaqus 簡介  19
3.2 Abaqus/Explicit  20
3.3 Abaqus 的單位設定  22
3.4 Abaqus 複合材料失效設定  24
3.5 失效標準公式演變  26
第四章 模擬設計  30
4.1 研究流程  30
4.2 模型建立  32
4.3 材料參數設定  34
4.4 邊界條件設定  35
4.5網格建立  35
4.6 空心方塊落摔模擬  36
4.7 複合材料機身模型之動態模擬  40
第五章 模擬結果與討論  42
5.1 空心方塊落摔結果  42
5.1.1	空心方塊考慮失效參數落摔結果  43
5.1.2空心方塊未考慮失效參數落摔結果  45
5.2 複材機身落摔結果  46
5.2.1複材機身考慮失效參數落摔結果  46
5.2.2 複材機身未考慮失效參數落摔結果  47
5.3 複材機身材料失效結果  48
第六章  結論與建議  51
參考文獻  53
附錄A 複材空心方塊考慮失效參數撞擊地面能量圖  55
附錄B 複材空心方塊未考慮失效參數撞擊地面能量圖  65
附錄C 複材機身考慮失效參數以30o撞擊地面能量圖  75
附錄D 複材機身未考慮失效參數以30o撞擊地面能量圖  85
附錄E 複材機身考慮失效參數以30o撞擊地面材料失效圖  95

圖目錄
圖1-1 飛機使用複合材料之比例  5
圖1-2 Airbus歷年來飛機上複合材料使用的位置  6
圖1-3 複合材料在輕航機上的使用率  8
圖2-1 韌性和脆性材料的應力應變圖  13
圖2-2 [0/45/90]複合材料疊層範例  18
圖2-3 單一方向層板與quasi-isotropic層板比較  18
圖4-1 分析模擬流程圖  31
圖4-2 STOL CH701 三視圖  32
圖4-3 CH701機身模型  33
圖4-4 Abaqus網格化之CH701機身  36
圖4-5 空心方塊模型示意圖  37
圖4-6 0o纖維複材空心方塊垂直撞擊地面  38
圖4-7 90o纖維複材空心方塊垂直撞擊地面  38
圖4-8 [45/-45]複材空心方塊垂直撞擊地面  39
圖4-9 [0/90]複材空心方塊垂直撞擊地面  39
圖4-10 CH701機身示意圖  40
圖4-11 機身以角度30o撞擊地板示意圖  41
圖5-1 0o複材方塊考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面之能量圖  42
圖5-2 空心方塊落摔變形示意圖([0/90])  44
圖5-3 空心方塊落摔變形示意圖([45/-45])  44
圖5-4 飛機座艙斜樑集中應力點  50
圖A-1 0o複材空心方塊考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖  55
圖A-2 90o複材空心方塊考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖  55
圖A-3 [45/-45]複材空心方塊考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖  56
圖A-4 [0/90]複材空心方塊考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖 
 56
圖A-5 0o複材空心方塊考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖  57
圖A-6 90o複材空心方塊考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖 
 57
圖A-7 [45/-45]複材空心方塊考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖  58
圖A-8 [0/90]複材空心方塊考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖  58
圖A-9 0o複材空心方塊考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖  59
圖A-10 90o複材空心方塊考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖 
 59
圖A-11 [45/-45]複材空心方塊考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖  60
圖A-12 [0/90]複材空心方塊考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖  60
圖A-13 0o複材空心方塊考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖 
 61
圖A-14 90o複材空心方塊考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖 
 61
圖A-15 [45/-45]複材空心方塊考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖  62
圖A-16 [0/90]複材空心方塊考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖  62
圖A-17 0o複材空心方塊考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖 
 63
圖A-18 90o複材空心方塊考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖 
 63
圖A-19 [45/-45]複材空心方塊考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖  64
圖A-20 [0/90]複材空心方塊考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖  64
圖B-1 0o複材空心方塊未考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖 
 65
圖B-2 90o複材空心方塊未考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖 
 65
圖B-3 [45/-45]複材空心方塊未考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖  66
圖B-4 [0/90]複材空心方塊未考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖  66
圖B-5 0o複材空心方塊未考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖 
 67
圖B-6 90o複材空心方塊未考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖 
 67
圖B-7 [45/-45]複材空心方塊未考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖  68
圖B-8 [0/90]複材空心方塊未考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖  68
圖B-9 0o複材空心方塊未考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖 
 69
圖B-10 90o複材空心方塊未考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖  69
圖B-11 [45/-45]複材空心方塊未考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖  70
圖B-12 [0/90]複材空心方塊未考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖  70
圖B-13 0o複材空心方塊未考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖 
 71
圖B-14 90o複材空心方塊未考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖  71
圖B-15 [45/-45]複材空心方塊未考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖  72
圖B-16 [0/90]複材空心方塊未考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖  72
圖B-17 0o複材空心方塊未考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖 
 73
圖B-18 90o複材空心方塊未考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖  73
圖B-19 [45/-45]複材空心方塊未考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖  74
圖B-20 [0/90]複材空心方塊未考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖  74
圖C-1 0o複材機身考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖  75
圖C-2 90o複材機身考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖  75
圖C-3 [45/-45]複材機身考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖 
 76
圖C-4 [0/90]複材機身考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖  76
圖C-5 0o複材機身考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖  77
圖C-6 90o複材機身考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖  77
圖C-7 [45/-45]複材機身考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖 
 78
圖C-8 [0/90]複材機身考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖  78
圖C-9 0o複材機身考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖  79
圖C-10 90o複材機身考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖  79
圖C-11 [45/-45]複材機身考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖 
 80
圖C-12 [0/90]複材機身考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖 
 80
圖C-13 0o複材機身考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖  81
圖C-14 90o複材機身考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖  81
圖C-15 [45/-45]複材機身考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖 
 82
圖C-16 [0/90]複材機身考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖 
 82
圖C-17 0o複材機身考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖  83
圖C-18 90o複材機身考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖  83
圖C-19 [45/-45]複材機身考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖 
 84
圖C-20 [0/90]複材機身考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖 
 84
圖D-1 0o複材機身未考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖  85
圖D-2 90o複材機身未考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖  85
圖D-3 [45/-45]複材機身未考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖 
 86
圖D-4 [0/90]複材機身未考慮失效參數以速度9 m/s撞擊地面能量圖 
 86
圖D-5 0o複材機身未考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖  87
圖D-6 90o複材機身未考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖  87
圖D-7 [45/-45]複材機身未考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖  88
圖D-8 [0/90]複材機身未考慮失效參數以速度18 m/s撞擊地面能量圖 
 88
圖D-9 0o複材機身未考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖  89
圖D-10 90o複材機身未考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖  89
圖D-11 [45/-45]複材機身未考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖  90
圖D-12 [0/90]複材機身未考慮失效參數以速度24 m/s撞擊地面能量圖 
 90
圖D-13 0o複材機身未考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖  91
圖D-14 90o複材機身未考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖  91
圖D-15 [45/-45]複材機身未考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖  92
圖D-16 [0/90]複材機身未考慮失效參數以速度36 m/s撞擊地面能量圖 
 92
圖D-17 0o複材機身未考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖  93
圖D-18 90o複材機身未考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖  93
圖D-19 [45/-45]複材機身未考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖  94
圖D-20 [0/90]複材機身未考慮失效參數以速度48 m/s撞擊地面能量圖 
 94
圖E-1 0o複材機身以速度9 m/s撞擊地面材料失效圖  95
圖E-2 90o複材機身以速度9 m/s撞擊地面材料失效圖  95
圖E-3 [45/-45]複材機身以速度9 m/s撞擊地面材料失效圖  96
圖E-4 [0/90]複材機身以速度9 m/s撞擊地面材料失效圖  96
圖E-5 0o複材機身以速度18 m/s撞擊地面材料失效圖  97
圖E-6 90o複材機身以速度18 m/s撞擊地面材料失效圖  97
圖E-7 [45/-45]複材機身以速度18 m/s撞擊地面材料失效圖  98
圖E-8 [0/90]複材機身以速度18 m/s撞擊地面材料失效圖  98
圖E-9 0o複材機身以速度24 m/s撞擊地面材料失效圖  99
圖E-10 90o複材機身以速度24 m/s撞擊地面材料失效圖  99
圖E-11 [45/-45]複材機身以速度24 m/s撞擊地面材料失效圖  100
圖E-12 [0/90]複材機身以速度24 m/s撞擊地面材料失效圖  100
圖E-13 0o複材機身以速度36 m/s撞擊地面材料失效圖  101
圖E-14 90o複材機身以速度36 m/s撞擊地面材料失效圖  101
圖E-15 [45/-45]複材機身以速度36 m/s撞擊地面材料失效圖  102
圖E-16 [0/90]複材機身以速度36 m/s撞擊地面材料失效圖  102
圖E-17 0o複材機身以速度48 m/s撞擊地面材料失效圖  103
圖E-18 90o複材機身以速度48 m/s撞擊地面材料失效圖  103
圖E-19 [45/-45]複材機身以速度48 m/s撞擊地面材料失效圖  104
圖E-20 [0/90]複材機身以速度48 m/s撞擊地面材料失效圖  104

表目錄
表1-1 美國民用航空器在2011年發生事故的統計  2
表1-2 2006-2015年我國及航空器發生在國內外之飛航事故  3
表3-1 Abaqus常用SI制的基礎單位  23
表4-1 STOL CH701 規格  33
表4-2 T300/LTM45碳纖維複合材料參數  34
表4-3 T300/LTM45 碳纖維複合材料失效設定相關參數  34
表4-4 墜撞角度與速度之參數  35
表5-1複材空心方塊考慮失效參數不同疊層角度與速度內能變化  43
表5-2複材空心方塊未考慮失效參數不同疊層角度與速度內能變化  45
表5-3複材機身考慮失效參數不同疊層角度與速度內能變化  46
表5-4複材機身未考慮失效參數不同疊層角度與速度內能變化  47
表5-5失效模式統計表  49

1.	“Review of US Civil Aviation Accidents, Calendar Year 2011”, NTSB/ARA-14/01, PB2014-101453, National Transportation Safety Board, 2014,pp.22.
2.	「台灣飛安統計 2006-2015」，行政院飛航安全調查委員會，2016年。
3.	侯知健，「理智看待高比例複合材料飛機的得失」，2014年8月。
4.	Faye Smith, “The Use of Composite in Aerospace: Past, Present and Future Challenge”, 2013.
5.	L.Ilcewicz , “Past Experiences and Future Trends for Composite Aircraft Structure.”, Montans State University, 2009.
6.	陳步偉、沈坤耀，「適墜性的發展與相關法規」，空軍學術雙月刊第619期，2011,130-136。
7.	Todd R. Hurley and Jill M. Vandenburg, “Small Airplane Crashworthiness Design Guide”, AGATE-WP3.4-034043-036, April 12, 2002.
8.	“Introduction to Materials Science”, Chapter 8, Failure, MSE 2090. https://edurev.in/studytube/Ch-8--FaliureHow-do-Material-Break-PPT--MSE-2090-I/df34c5a1-643f-435e-9bf0-ef10ef9c5943_p 
9.	Kim Martineli Souza Goncalves, “Hashin’s Failure Criteria In-Plane Stress Numerical Model Correlated to Tensile Tests”, International Journal of Engineering Research and Science & Technology, ISSN 2319-5991, Vol. 4, No. 1, February 2015, pp. 212-222
10.	Álvaro Díaz Sáez, “Finite element modelling of damage and failure in fiber reinforced composites”, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal, May 2015
11.	Kyle C. Warren, Roberto A. Lopez-Anido, Senthil S. Vel, and Harun H. Bayraktar, “Progressive failure analysis of three-dimensional woven carbon composites in single-bolt, double-shear bearing”, Composite Part B, Vol. 84, January 2016, pp.266-276
12.	Hashin Z. “Failure criteria for unidirectional fibre composites”, ASME Journal of Applied Mechanics, Vol. 47 (2), 1980, pp 329-334.
13.	“Advanced Composite Materials”, Aviation Maintenance Technician Handbook – Airframe, Volume 1, FAA-H-8083-31, Federal Aviation Adminstration, pp 7-2.
14.	Quartus. https://www.quartus.com/resources/composites-101/ 
15.	「最新Abaqus實務入門」，Dassault Systèmes. Simulia Corp. 世盟瑞其CAE團隊編著。
16.	Abaqus Analysis User’s Manual, Dassault System, 2011
17.	陳毅霖，「多層與單層複合材料衝擊能量吸收之比較」，私立淡江大學航空太空工程學系碩士論文，2017年6月。
18.	ZENAIR, http://www.zenithair.net/.
19.	Vaibhav A. Phadnis, Farrukh Makhdum , Anish Roy, and Vadim V. Silberschmidt, “Drilling in composite/epoxy composite: Experimetanl investigation and finite element implementation”,2013,47(1):41-51
20.	“Standard on Light Sport Aircraft”, ASTM, 2008.