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系統識別號 U0002-0606201210393100
中文論文名稱 複合材料與金屬材料輕航機的適墜性分析
英文論文名稱 The Crashworthiness Analysis of Composite and Metal Light Aircraft
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 陳冠融
研究生英文姓名 Kuan-Jung Chen
學號 699430079
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-05-23
論文頁數 88頁
口試委員 指導教授-陳步偉
委員-沈坤耀
委員-張永康
中文關鍵字 適墜性  有限元素法  輕航機  複合材料 
英文關鍵字 crashworthiness  finite element  light aircraft  composites 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 複合材料的優勢使得近年來航太界逐漸以複合材料取代傳統的金屬材料。由於飛航事故無法完全避免,所以在複合材料成為飛機結構趨勢下,探討複合材料飛機的適墜性成為了重要議題。近年來複合材料飛機之適墜性研究對象以大型飛機居多,在面對全複材輕航機之市場將增加的情況下,複合材料輕航機的適墜性也突顯其重要性。
本研究使用Pro/ENGINEER建立STOL CH 701機身結構,材料的使用為6061-T6鋁合金以及 Std CF Fabric Composite。邊界條件依據ASTM規範的1.3 下降速度與AGATE所訂定的30度墜撞俯角。藉由以上資料金屬及複材機身的墜撞模擬,機身墜撞的結果必須符合MIL-STD-1290A所規定的15%安全機艙壓縮量內。動態模擬的過程先以Hypermesh網格化後再以LS-DYNA模擬墜撞情形並輸出數據。
本研究的結果得知金屬機艙在30度墜撞角時,安全墜撞速度不得超過9.59 m/s,複材機艙則可承受18.05 m/s內的速度。金屬機艙的安全墜撞角度需低於16.56度,複材機艙則可高達84.9度。藉由墜撞速度及角度的結果可得出複材機艙的安全區域較金屬機艙高160%,複材機身也較金屬機身輕41%的重量。以上結果皆顯示以複材取代金屬材料皆得到更好的適墜性。
英文摘要 In recent years, the advantages of composite materials make that the composite materials take the place of the metal materials for aerospace industry. Because the flight accidents cannot be avoided completely, so it’s an important issue to investigate crashworthiness of composite aircraft structure under the tendency of composite aircraft.

In recent years, the mostly researching objects of composite aircraft crashworthiness are the large aircrafts. To face of the composite light aircraft market will increased, that also means that crashworthiness of the composite light aircraft also emphasize its importance. In this study we use Pro/ENGINEER to establish STOL CH 701 model, the metal material is Al 6061-T6, and composite material is Std CF Fabric Composite. The boundary conditions are 1.3 landing velocity followed by ASTM F2245-07 4.4.4.1, and 30degree impact angle defined by AGATE. The result of dynamic simulation must be under the 15% cockpit reducing rate defined by MIL-STD-1290A. The process of dynamic simulation is meshing model by finite element software Hypermesh, then output the simulation data by LS-DYNA.

The result of this study was informed that the safety impact speed of metal material cockpit is 9.59 m/s while crashed for 30 degree impact angle, but composite cockpit can afford the speed greater than defined by ASTM. The safety impact angle of metal cockpit is 16.56 degree, composite cockpit is 84.9 degree. By the relation of impact speed and impact angle to cockpit reducing rate, the safety crash zone of composite cockpit is 160% higher than metal cockpit. Above these results, light aircraft has the batter crashworthiness to replace metal material by composite material.
論文目次 中文摘要 i
英文摘要 ii
目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 vii
第一章、緒論 1
1.1 前言 1
1.2 輕航機飛安事故 2
1.3 適墜性的概念 3
1.4 適墜性結構的強化 6
1.4.1 航空器機身結構外型的改良 6
1.4.2 機艙內部的改良 9
1.5 複合材料機身的適墜概念 10
1.6 研究目的與方法 12
第二章、文獻回顧 15
2.1 機身地板結構的適墜性改良 15
2.1.1 金屬材料地板結構的改良 15
2.1.2 複合材料地板結構的改良 17
2.2 複合材料的適墜性實驗 21
2.3 航空器的適墜性實驗 26
2.3.1 大型客機適墜性實驗 27
2.3.2 輕型飛機適墜性實驗 30
第三章、基礎理論 34
3.1 適墜性與生存率的關係 34
3.1.1 飛行事故與飛行姿態的關係 35
3.1.2 可生存事故與飛機速度的關係 37
3.1.3 機艙壓縮量與生存率的關係 38
3.2 LS-DYNA與有限元素法 39
3.3 模型簡化模擬 42
第四章、實驗流程 45
4.1 本研究之分析流程 45
4.2 STOL CH 701之飛機參數與介紹 48
4.3 邊界條件的設定 51
4.3.1 墜撞速度與機艙壓縮量的參數設定 52
4.3.2 墜撞角度與機艙壓縮量的參數設定 52
4.4 材料參數的設定 53
4.5 機身模型建立 54
第五章、研究結果與討論 56
5.1金屬材料機身之適墜性動態模擬 56
5.1.1 墜撞速度與機艙壓縮量的關係 58
5.1.2 墜撞角度與機艙壓縮量的關係 60
5.1.3 墜撞角度與墜撞速度的關係 62
5.2 複合材料機身之適墜性動態模擬 63
5.2.1 墜撞速度與機艙壓縮量的關係 65
5.1.2 墜撞角度與機艙壓縮量的關係 67
5.2.3 墜撞角度與墜撞速度的關係 68
5.3 金屬機艙與複材機艙的動態模擬結果比較 70
5.3.1 金屬及複材機艙墜撞速度與機艙壓縮量的比較 70
5.3.2 金屬及複材機艙墜撞角度與機艙壓縮量的比較 71
5.3.3 金屬及複材機艙安全墜撞範圍的比較 72
第六章、結論與建議 76
參考資料 78
附錄 81

圖目錄
圖1-1 機身框段的組合 ............................................................................................. 5
圖1-2 機身框段截面積 ............................................................................................. 5
圖1-3 引擎架之改良 ................................................................................................. 7
圖1-4 加上縱樑後的機身 ......................................................................................... 7
圖1-5 四種不同的複合材料地板結構 ..................................................................... 8
圖1-6 改良後的座椅 ................................................................................................. 9
圖1-7 增加吸能緩衝器之座椅 ................................................................................. 9
圖1-8 本研究的總流程圖 ....................................................................................... 14
圖2-1 傳統機身地板結構 ....................................................................................... 16
圖2-2 三種不同佈局的波紋板機身地板結構 ....................................................... 16
圖2-3 支柱角度於7.8度之最終變形狀態 ............................................................ 17
圖2-4 不同地板材質的機身框段截面積 ............................................................... 18
圖2-5 機身於(a) 0度(b) 15度的滾轉衝擊姿態 .................................................... 19
圖2-6 受測的上下機身框段 ................................................................................... 19
圖2-7 經由壓縮破壞後的複合材料支柱 ............................................................... 20
圖2-8 採用z-struts結構於次地板結構層適墜性實驗 ......................................... 20
圖2-9 z-struts結構的組成示意圖 ........................................................................ 21
圖2-10 三明治材料板破壞時所產生的不穩定彎曲 ............................................... 22
圖2-11 三明治材料板破壞時所產生的反向彎曲 ................................................... 22
圖2-12 三明治材料板破壞時所產生之漸進式破壞 ............................................... 23
圖2-13 G827/3234圓管於不同纖維含量下的壓縮情況 ...................................... 24
圖2-14 G827/3234圓管於不同纖維含量下的衝擊破壞情況 .............................. 24
圖2-15 破壞盒實驗與模擬結果 ............................................................................... 25
圖2-16 破壞盒內孔隙皺摺之縱向及側向形變 ....................................................... 25
圖2-17 填充圓管能量吸收與重量的關係 ............................................................... 26
圖2-18 動態墜撞實驗設施(IDRF)示意圖 ............................................................... 27
圖2-19 ATR42於0.05至0.25秒適墜性實驗及模擬結果 .................................. 29
圖2-20 機身左側座位加速度及速度實驗與模擬之對照 ....................................... 29
圖2-21 機身右側座位加速度及速度實驗與模擬之對照 ....................................... 30
圖2-22 PZL I-23輕航機以15度俯角進行墜撞實驗 ........................................... 32
圖3-1 通勤飛機事故統計圖 ................................................................................... 36
圖3-2 AGATE定義的墜撞姿態條件 ................................................................... 36
圖3-3 AGATE定義之速度及角度衝擊條件 ....................................................... 38
圖3-4 機身結構經簡化後的情況 ........................................................................... 43
圖3-5 塑性鉸經由簡化後的情況 ........................................................................... 43
圖3-6 機身結構簡化前後其墜撞模擬的差異 ....................................................... 44
圖3-7 鉚接點經由簡化後的情況 ........................................................................... 44
圖4-1 以Pro/E所繪製之CH-701機身之3D模型圖 .......................................... 46
圖4-2 HyperMesh軟體網格化之CH 701機身 ................................................... 46
圖4-3 本研究之分析流程 ....................................................................................... 47
圖4-4 STOL CH 701前緣縫翼及襟副翼之示意圖 ............................................. 48
圖4-5 STOL CH 701方向舵之示意圖 ................................................................. 49
圖4-6 STOL CH 701三視圖 ................................................................................. 49
圖4-7 STOL CH 701之機身草圖 ......................................................................... 55
圖5-1 金屬機身墜撞模擬結果 ............................................................................... 57
圖5-2 金屬機身墜撞時總能量的變化量 ............................................................... 57
圖5-3 金屬機身墜撞時滑動能的變化量 ............................................................... 58
圖5-4 墜撞角度30度時速度與金屬機艙壓縮量的關係 ..................................... 60
圖5-5 墜撞速度18.05 m/s時角度與金屬機艙壓縮量的關係 ............................. 61
圖5-6 金屬機艙於壓縮量15%內的安全區域 ....................................................... 63
圖5-7 複材機身墜撞模擬結果 ............................................................................... 64
圖5-8 複材機身墜撞時總能量的變化量 ............................................................... 64
圖5-9 複材機身墜撞時滑動能的變化量 ............................................................... 65
圖5-10 墜撞角度30度時速度與複材機艙壓縮量的關係 ..................................... 66
圖5-11 墜撞速度18.05 m/s時角度與複材機艙壓縮量的關係.............................. 68
圖5-12 複材機艙於壓縮量15%內的安全區域 ....................................................... 69
圖5-13 金屬及複材機艙速度與機艙壓縮量的比較 ............................................... 71
圖5-14 金屬及複材機艙角度與機艙壓縮量的比較 ............................................... 72
圖5-15 墜撞速度18.05 m/s與墜撞角度90度內的安全區域 ............................... 74
圖5-16 墜撞角度 30度30 m/s與墜撞速度內的安全區域 ................................... 74
圖5-17 30 m/s墜撞速度內與墜撞角度90度內的安全區域 ............................... 75

表目錄
表1-1 2005到2011年國內之超輕型載具事故統計 .............................................. 2
表1-2 航空器外型之改良 ........................................................................................... 8
表1-3 航空器機艙內部之改良 ................................................................................. 10
表2-1 PZL I-23輕航機所使用之複合材料強度及剛度性質 ............................... 33
表2-2 大小型客機的適墜性實驗比較 ..................................................................... 33
表3-1 四起相似的飛航事故及其速度統計 ............................................................. 38
表4-1 STOL CH 701的規格 ................................................................................... 50
表4-2 固定墜撞角度於不同墜撞速度的機艙壓縮量的參數設定 ......................... 52
表4-3 固定墜撞速度於不同墜撞角度與機艙壓縮量的參數設定 ......................... 53
表4-4 鋁合金6061-T6 主要材料特性 .................................................................... 53
表4-5 Std CF Fabric Composite 主要材料特性 .................................................... 54
表5-1 金屬機身的墜撞速度與機艙壓縮量關係邊界條件 ..................................... 59
表5-2 金屬機身的墜撞角度與機艙壓縮量關係邊界條件 ..................................... 60
表5-3 金屬機艙之安全區域數據表 ......................................................................... 62
表5-4 複材機身的墜撞速度與機艙壓縮量關係邊界條件 ..................................... 65
表5-5 複材機身的墜撞角度與機艙壓縮量關係邊界條件 ..................................... 67
表5-6 複材機艙之安全區域數據表 ......................................................................... 69
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