隨著航空產業的蓬勃發展，不僅軍用飛機或大型民航客機越來越普遍，輕型飛行載具的市場也日趨成熟，在輕航機逐漸成為民眾的一種休閒活動，但飛行事故卻頻傳的情況下，如何在飛行效率及飛航安全中達到平衡，就顯得非常重要。本研究應用有限元素軟體ANSYS對輕航機進行外型與結構耦合的最佳化，期望在達到最佳氣動力外型的同時，仍可以符合適墜性的最低安全標準。
本研究使用Zenith公司的STOL CH701作為研究模型，以Pro/Engineer建立3D機身模型，機身結構以鋁合金作為材料，利用ANSYS中的Fluent進行流場分析後，再以Adjoint Solver完成外型最佳化；接著使用Static Structural進行結構模擬分析，再匯入Topology Optimization模組中，完成拓樸最佳化。本研究利用流場分析與墜撞模擬來比較原始模型與改良後模型的阻力值、座艙變形量與應變能的差異，探討其安全性的改變及效益是否提升。
本研究之外型最佳化以最小阻力值為目標函數、機身外型為設計範圍，並以比例因子來調整外型變化程度；結構最佳化則以最小結構順從度為目標函數、座艙側板為設計範圍以及重量移除率為限制條件進行設定。邊界條件之撞擊速度設定以符合AGATE及ASTMF2245-11 4.4.4.1所規定的撞擊速度18 m/s以及CH701最大巡航速度38 m/s為基準；並以美國軍用法規MIL-STD-1290A規範之15%座艙壓縮量為適墜性安全標準。
經過外型以及結構最佳化後，選擇在任何撞擊速度下，皆符合座艙壓縮量15%安全規範的模型。並以撞擊速度為18 m/s說明最佳化前後各項數據的改變：機身外型阻力值下降3.43%、結構重量下降14.44%，而應變能則增加53.21%，吸收能量能力提高。本研究結合外型與結構最佳化，使輕航機在機身外型與結構墜撞上都獲得改善，在達到最佳氣動力的同時，仍有符合適墜性的最低安全標準。

With the vigorous development of the aviation industry, not only military aircraft and civil aviation aircraft are becoming popular, but also the market of light sport aircraft is getting mature. In case of frequent light aircraft accidents, how to balance within flight efficiency and flight safety has become an important issue. This research use finite element software ANSYS to optimize the shape and structure of light sport aircraft, expected to receive the best aerodynamic shape and meet the minimum safety standard of crashworthiness simultaneously. 
This study use light sport aircraft STOL CH701 from Zenith Company as model, the fuselage material is aluminum alloy 6061-T6. The 3D model is established by Pro/E. Utilizes ANSYS Fluent to simulate fluid field and use Adjoint Solver to complete the shape optimization, which objective function is set as minimum resistance. After shape optimization, Static Structural and Topology Optimization are used to complete structure simulation and structure optimization. The objective function is the compliance and the constraint is weight reducing rate. This research then discusses the change and benefits of its safety and performance by resistance, deformation, and strain energy. 
After shape and structure optimization, this thesis chooses the model that comply the safety standard of MIL-STD-1290A, 15% cockpit reducing rate under any impact velocity. So that the result will be discuss with impact velocity 18 m/s. Compares to the original model, the optimum model has the resistance decreased by 3.43%, structure weight decreased by 14.44%, and the strain energy increased by 53.21% which prove that the absorption ability is increasing. This research combines shape and structure optimization let the light sport aircraft improve not only fuselage shape but aircraft structure successfully.

目錄
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 飛安事故之統計 1
1.3適墜性的定義及基本原則 4
1.4研究目的與方法 7
第二章	文獻回顧 8
2.1各國對於輕型飛行載具相關法規 8
2.1.1美國對於輕型飛行載具的定義 8
2.1.2歐洲對輕型飛行載具的定義 9
2.1.3我國對輕型飛行載具的定義 10
2.2流固耦合之工程應用 11
2.3最佳化設計 14
2.3.1最佳化設計概念 14
2.3.2最佳化方法 15
2.3.3外型最佳化工程應用 16
2.3.4結構最佳化工程應用 17
第三章	基礎理論 19
3.1 ANSYS簡介 19
3.1.1 ANSYS Workbench 19
3.1.1 ANSYS Fluent 20
3.1.2 ANSYS Static Structural 22
3.2 ANSYS流固耦合方法 24
3.2.1 ANSYS FSI 24
3.3 ANSYS最佳化 25
3.3.1 ANSYS Adjoint Solver 25
3.3.2 ANSYS Topology Optimization 27
第四章	模擬設計 29
4.1研究流程 29
4.2模型建立 32
4.3 材料參數設定 34
4.4邊界條件 35
4.4.1流場模擬設定 35
4.4.2結構模擬設定 37
4.5最佳化參數設定 39
4.5.1外型最佳化 39
4.5.2結構最佳化 41
第五章	結果與討論 45
5.1 CH701外型最佳化結果 45
5.2 CH701結構最佳化結果 55
5.3 CH701原始模型與最佳化模型之比較 63
第六章	結論與建議 66
參考文獻 68
附錄 論文簡要版 71

圖目錄
圖1-1普通航空器在2008年至2038年每十年的飛行時數 2
圖1-2美國普通類航空器2002年至2011年的飛安事故統計 3
圖2-1最佳化的三種方法 16
圖2-2牧用拖車整流罩示意圖 17
圖2-3不同負載之最佳化結果比較 18
圖3-1 ANSYS Fluent模擬的內燃機 20
圖3-2 Adjoint Solver外型最佳化前後比較 21
圖3-3 MMO模組最佳化前後比較 22
圖3-4 Static Structural運作流程 23
圖3-5 ANSYS耦合分析分類 24
圖3-6 ANSYS FSI內建模組 25
圖3-7 ANSYS流固耦合可行之設置方式 25
圖3-8 Adjoint Solver運作流程 26
圖3-9 ANSYS Topology Optimization運作流程 28
圖4-1本研究流程圖 31
圖4-2 Zenith STOL CH701三視圖 32
圖4-3 STOL CH701機身簡化模型 34
圖4-4流場模擬之範圍示意圖 36
圖4-5流場模擬之網格示意圖 36
圖4-6 Model模組設定樹狀圖 38
圖4-7結構分析網格示意圖 38
圖4-8 fixed support設定示意圖 38
圖4-9結構最佳化座艙三軸示意圖 39
圖4-10 Adjoint Solver最佳化工具 40
圖4-11外型最佳化觀察目標 41
圖4-12流場模擬之機身外型可變形範圍 41
圖4-13拓樸最佳化 42
圖4-14拓樸最佳化設定樹狀圖 43
圖4-15結構最佳化區域示意圖 43
圖4-16限制條件為25%之拓樸最佳化模型 44
圖4-17限制條件為30%之拓樸最佳化模型 44
圖5-1速度18 m/s之外型最佳化結果 49
圖5-2速度38 m/s之外型最佳化結果 54
圖5-3結構最佳化設計範圍 56
圖5-4鋁合金機身在不同撞擊速度與座艙壓縮量關係 57
圖5-5 CH701結構最佳化模型修改示意圖 58
圖5-6結構最佳化原始模型在不同撞擊速度下之座艙壓縮量 60
圖5-7不同速度、重量移除率與應變能之關係 63
圖5-8 CH701最佳化前後機身模型 65
圖5-9 CH701最佳化前後機身側視圖 65

表目錄
表1-1美國民用航空器在2011年發生的事故統計 3
表1-2 2007年至2016年國內超輕型載具飛航事故 4
表4-1 STOL CH701規格 33
表4-2 STOL CH701性能 33
表4-3鋁合金6061-T6之材料參數 34
表4-4拓樸最佳化前後之重量變化 44
表5-1速度18 m/s之不同外型的阻力值比較 49
表5-2速度38 m/s之不同外型的阻力值比較 54
表5-3 CH701結構最佳化後之模型 57
表5-4結構最佳化前後模型重量變化 58
表5-5結構最佳化原始模型之座艙壓縮率與應變能 59
表5-6結構最佳化後之座艙壓縮率與應變能比較 61
表5-7 CH701在18 m/s時外型與結構最佳化前後之比較 64

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