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系統識別號 U0002-0407201915074000
中文論文名稱 大型遙控直升機主旋翼主軸承螺栓受力分析
英文論文名稱 Analysis of Large Scaled Remote Control Helicopter Main Rotor Blade Hinge Loading
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 鍾竹軒
研究生英文姓名 CHU-HSUAN CHUNG
學號 706430070
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-06-13
論文頁數 70頁
口試委員 指導教授-王怡仁
委員-李貫銘
委員-洪健君
中文關鍵字 鉸接(Hinge)  UAV(Unmanned Aerial Vehicle)  主旋翼(Main Rotor)  應力(Stress)  應變(Strain)  剪應力(Shear Stress) 
英文關鍵字 Hinge  Unmanned Aerial Vehicle(UAV)  Main Rotor  Stress  Strain  Shear Stress 
學科別分類
中文摘要 本文研究重點為旋翼型式的大型遙控直升機,由於旋翼型式的UAV(Unmanned Aerial Vehicle)具備垂直起降,低速空中懸停等優點,非常適合從事商用無人飛行載具之用途。隨著無人自主直升機發展的進步,建置於直升機之系統功能也越來越複雜,使得研發成本也相對增高。然而,直升機在飛行時所遭遇的外在氣動力干擾相當複雜,當轉速不穩定時將會影響主旋翼所產生的升力,輕則使得直升機姿態未達到預期的目標,重則使旋翼葉片(Rotor Blade)無法承受高速旋轉與載重產生脫離及斷裂極度危險的環境。因此,為了提高無人直升機飛行的安全與穩定,我們便針對旋翼轉速與旋翼葉片離心力加以研究討論,並計算其所受的推力及離心力進行螺栓強度分析。也因考慮其結構的安全性。在傳統的設計多是依賴實驗測試,不斷的修正改進,達到目標為止,這樣的做法使得設計開發時程拉長,設計成本無法降低,也可能無法達到設計的最佳化。為了簡化無人直升機的控制方式本文所採用Bell 206,Bell 407兩種直升機模型,並在各模型之間分別採用單、雙鉸接,並比較兩種鉸接型態進行螺栓受力分析。所採用方法與工具為利用先進的參數化設計軟體(PTC Creo)進行建模並精準的在三維空間建立主旋翼模型結構。採用計算結構力學(ANSYS )建立非結構性網格,採多方向對旋翼葉片進行多方面施加推力與離心力,更精確進行螺栓受葉片旋轉時的細部的計算分析剪力、應力、應變,有助於提升遙控直升機飛行時的保障和安全。
英文摘要 This paper focuses on the large-scale remote control helicopter with Rotor type. Due to the Rotor type UAV (Unmanned Aircraft System) has the advantages of vertical take-off and landing, low-speed air hovering, and it is very suitable for commercial drone. With the development of helicopters drone, the functions of systems built in helicopters are becoming more and more complex, and the cost of research and development is relatively higher. However, the external aerodynamic interference encountered by the helicopter during flight is complicated. When the speed is unstable, the lift generated by the main Rotor will be affected; therefore, causing it not being able to reach at the desired objectives. Also the Rotor blades are unable to resist a higher speed rotation when the weight exceeds the limits. It will detach or fracture and will cause an incident. Therefore, in order to improve the safety and stability of drone, we have studied and discussed the Rotor speed and Rotor blade centrifugal force, and will calculate the thrust and centrifugal force to analyze the bolt strength.
Also consider the safety of its structure. In the traditional design, it relies on experimental testing and continuous improvement, so at the end we can achieves the goal. This approach shows that it will take a longer time to design the concept meaning the design cost cannot be reduced, and the design optimization cannot be achieved.
In order to simplify the control method of helicopters drone, the two models of Bell 206 and Bell 407 are used in this paper. Single and double hinges are used between the models, and the two types of joints models are compared for bolt force analysis.
By using (PTC Creo) software we can build the main Rotor model structure in 3D. With (ANSYS) is used to establish the non-structural mesh. Thrust and centrifugal force are applied to the Rotor blades in multiple directions. More precise details of the calculation time of the rotary blade shear, stress and strain. And helps improve the safety of the drone during flight time.
論文目次 目錄 III
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機 2
1.3論文結構 4
第二章 物理模型與數值方法 6
2.1鉸鍊型式 6
2.1.1活節式旋轉翼系統 7
2.1.2無插銷式旋轉翼系統 7
2.1.3 翹板式旋轉翼系統 8
2.2物理模型 8
2.3 系統理論模式之建立 9
2.3.1 動量理論 11
2.3.2 葉片元素理論 13
2.3.3 整合理論 (Combined Theory) 15
第三章 有限元素分析 21
3.1網格建構 21
3.2模擬條件與邊界設定 22
3.3 結果與討論 22
3.3.1 推力分佈與葉片受力分析 22
3.3.2 討論螺栓材料受力分析 23
第四章 結論與建議 25
參考文獻 27
附錄(一) 附表 28
附錄(三) 附圖 32

表目錄
表1 定義Bell 206 一般特性 ················································· 28
表2 定義Bell 407 一般特性 ················································ 28
表3 Bell 206 材料結構表 ·················································· 29
表4 Bell 407 材料結構表 ·················································· 29
表5 聚乙烯螺栓分析數據(案例說明I) ··································· 30
表6 不鏽鋼螺栓分析數據(案例說明I) ··································· 30
表7 聚乙烯螺栓分析數據(案例說明II) ·································· 30
表8 不鏽鋼螺栓分析數據(案例說明II) ·································· 31


圖1 直升機的主要部件系統 ................................................................. 32
圖2 活節式旋轉翼系統 ......................................................................... 32
圖3 無插銷式旋轉翼系統 ..................................................................... 33
圖4 翹板式旋轉翼系統 ......................................................................... 33
圖5 Bell 206 直升機的主旋翼系統外型三視圖 .................................... 34
圖6 Bell 206 直升機的主旋翼系統外型分解圖 .................................... 34
圖7 Bell 407 直升機的主旋翼系統外型三視圖 .................................... 35
圖8 Bell 407 直升機的主旋翼系統外型分解圖 .................................... 35
圖9 翼型剖面Boeing-Vertol VR-7 Airfoil ............................................. 36
圖10 Motor Specifications ....................................................................... 36
圖11 軸承支架與葉片的分力 ............................................................... 36
圖12 Bell 206 單鉸接形式分解圖 .......................................................... 37
圖13 Bell 407 單鉸接形式分解圖 .......................................................... 37
圖14 Bell 206 雙鉸接形式分解圖 .......................................................... 38
圖15 Bell 407 雙鉸接形式分解圖 ......................................................... 38
圖16 Bell 206 與Bell 407 螺栓規格 ..................................................... 39
圖17 Bell 206 單鉸接型式網格圖 .......................................................... 39
圖18 Bell 206 雙鉸接型式網格圖 .......................................................... 39
VII
圖19 Bell 407 單鉸接型式網格圖 .......................................................... 40
圖20 Bell 407 雙鉸接型式網格圖 .......................................................... 40
圖21 Bell 206 主旋翼葉片單鉸接下葉片錐角2°時,葉片形變圖 ..... 41
圖22 Bell 206 主旋翼葉片單鉸接下葉片錐角4°時,葉片形變圖 ..... 41
圖23 Bell 206 主旋翼葉片單鉸接下葉片錐角6°時,葉片形變圖 ..... 41
圖24 Bell 206 主旋翼葉片雙鉸接下葉片錐角2°時,葉片形變圖 .... 42
圖25 Bell 206 主旋翼葉片雙鉸接下葉片錐角4°時,葉片形變圖 .... 42
圖26 Bell 206 主旋翼葉片雙鉸接下葉片錐角6°時,葉片形變圖 .... 42
圖27 Bell 407 主旋翼葉片單鉸接下葉片錐角2°時,葉片形變圖 .... 43
圖28 Bell 407 主旋翼葉片單鉸接下葉片錐角4°時,葉片形變圖 .... 43
圖29 Bell 407 主旋翼葉片單鉸接下葉片錐角6°時,葉片形變圖 .... 43
圖30 Bell 407 主旋翼葉片雙鉸接下葉片錐角2°時,葉片形變圖 .... 44
圖31 Bell 407 主旋翼葉片雙鉸接下葉片錐角4°時,葉片形變圖 .... 44
圖32 Bell 407 主旋翼葉片雙鉸接下葉片錐角6°時,葉片形變圖 .... 44
圖33 Bell 206 單鉸接情形下葉片錐角2°螺栓材料為聚乙烯材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 45
圖34 Bell 206 單鉸接情形下葉片錐角2°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 45
圖35 Bell 206 單鉸接情形下葉片錐角4°螺栓材料為聚乙烯材料時,
VIII
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 46
圖36 Bell 206 單鉸接情形下葉片錐角4°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 46
圖37 Bell 206 單鉸接情形下葉片錐角6°螺栓材料為聚乙烯材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 47
圖38 Bell 206 單鉸接情形下葉片錐角6°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 47
圖39 Bell 206 雙鉸接情形下葉片錐角2°螺栓材料為聚乙烯材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 48
圖40 Bell 206 雙鉸接情形下葉片錐角2°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 48
圖41 Bell 206 雙鉸接情形下葉片錐角4°螺栓材料為聚乙烯材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 49
圖42 Bell 206 雙鉸接情形下葉片錐角4°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 49
圖43 Bell 206 雙鉸接情形下葉片錐角6°螺栓材料為聚乙烯材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 50
圖44 Bell 206 雙鉸接情形下葉片錐角6°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 50
IX
圖45 Bell 407 單鉸接情形下葉片錐角2°螺栓材料為聚乙烯材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 51
圖46 Bell 407 單鉸接情形下葉片錐角2°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 51
圖47 Bell 407 單鉸接情形下葉片錐角4°螺栓材料為聚乙烯材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 52
圖48 Bell 407 單鉸接情形下葉片錐角4°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 52
圖49 Bell 407 單鉸接情形下葉片錐角6°螺栓材料為聚乙烯材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 53
圖50 Bell 407 單鉸接情形下葉片錐角6°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 53
圖51 Bell 407 雙鉸接情形下葉片錐角2°螺栓材料為聚乙烯材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 54
圖52 Bell 407 雙鉸接情形下葉片錐角2°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 54
圖53 Bell 407 雙鉸接情形下葉片錐角4°螺栓材料為聚乙烯材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 55
圖54 Bell 407 雙鉸接情形下葉片錐角4°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
X
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 55
圖55 Bell 407 雙鉸接情形下葉片錐角6°螺栓材料為聚乙烯材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 56
圖56 Bell 407 雙鉸接情形下葉片錐角6°螺栓材料為不鏽鋼材料時,
螺栓承受最大軸向應力、剪應力、應變、剪應變圖 .......................... 56
圖57 Bell 206 單鉸接情形下,聚乙烯螺栓受力曲線圖 ..................... 57
圖58 Bell 206 單鉸接情形下,不鏽鋼螺栓受力曲線圖 ..................... 57
圖59 Bell 206 雙鉸接情形下,聚乙烯材料曲線圖.............................. 57
圖60 Bell 206 雙鉸接情形下,不鏽鋼材料曲線圖.............................. 58
圖61 Bell 407 單鉸接情形下,聚乙烯材料曲線圖.............................. 58
圖62 Bell 407 單鉸接情形下,不鏽鋼材料曲線圖.............................. 58
圖63 Bell 407 雙鉸接情形下,聚乙烯材料曲線圖.............................. 59
圖64 Bell 407 雙鉸接情形下,不鏽鋼材料曲線圖.............................. 59
圖65 Bell 206 單鉸接聚乙烯與不鏽鋼軸向應力比較圖 ..................... 59
圖66 Bell 206 雙鉸接聚乙烯與不鏽鋼軸向應力比較圖 ..................... 60
圖67 Bell 407 單鉸接聚乙烯與不鏽鋼軸向應力比較圖 ..................... 60
圖68 Bell 407 雙鉸接聚乙烯與不鏽鋼軸向應力比較圖 ..................... 60
圖69 Bell 206 單鉸接聚乙烯與不鏽鋼剪應力比較圖 ......................... 61
圖70 Bell 206 雙鉸接聚乙烯與不鏽鋼剪應力比較圖 ......................... 61
XI
圖71 Bell 407 單鉸接聚乙烯與不鏽鋼剪應力比較圖 ......................... 61
圖72 Bell 407 雙鉸接聚乙烯與不鏽鋼剪應力比較圖 ......................... 62
參考文獻 [1] 張呈林 郭才根,直升機總體設計2007,國防工業出版社
[2] Helicopter Flying Handbook
[3] 穆志韜 曾本銀,直升機結構疲勞2009,國防工業出版社
[4] WAYNE JOHNSON,Helicopter Theory 1994,Dover Pubns
[5] 洪振義,直升機概論1998,台灣書店
[6] 曹義華,現代直升機旋翼空氣動力學2015,北京航空大學出版社
[7] 王怡仁,旋翼機原理講義2014
[8] Airfoil Tools
http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=vr7-il
[9] 王怡仁,旋翼機原理講義2014
[10] 遙控直升機馬達規格
http://www.symodel.com.tw/aiken/front/bin/ptlist.phtml?Category=100481
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