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系統識別號 U0002-2302201107542600
中文論文名稱 輕型航空運動載具起落架之疲勞行為分析
英文論文名稱 The Fatigue Behavior Analysis of Light-Sport Aircraft Landing Gear
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 99
學期 1
出版年 100
研究生中文姓名 譚涵文
研究生英文姓名 Harn-Wen Tan
學號 698430021
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-01-14
論文頁數 98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 疲勞  輕型航空運動載具  起落架  有限元素法 
英文關鍵字 Fatigue  Light-sport aircraf  Landing gear  Finite Element 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 飛機隨著使用年限延長,疲勞問題所造成機構故障頻率亦會增加,而起落架為飛機最主要的構件,因此其疲勞壽命分析是相當重要的。
本研究目的是利用有限元素軟體建立輕型運動航空載具之起落架疲勞模擬平台,並分析起落架在不同材料、不同負載、不同外型下,其疲勞壽命之不同。材料主要是鋁合金6061-T6與碳纖維強化複合材料;外型有平板與圓柱外型起落架進行更換;負載則是考慮輕航機CH701設計之最大降落重量450Kg與FAA Part1規定之600Kg兩種。
在本研究中先以ASTM對於金屬與複合材料疲勞試驗規定之模型進行模擬,其結果與實驗值相符合,成功驗證利用有限元素軟體所建立之疲勞模擬平台的正確性。
由本研究結果可知起落架在不同靜態負載、材料與外型下,其y方向變形量與應力、應變之大小,以及其最大變形量與最大應力發生處。疲勞方面,則是可以得知鋁合金與複合材料起落架在450Kg負載下疲勞壽命皆可達108 cycle以上而不會產生破壞;鋁合金6061-T6在600Kg負載下圓柱起落架比平板起落架多15倍的循環壽命。碳纖維複合材料在600Kg負載下則是平板及圓柱則皆可達108 cycle以上。
英文摘要 With the extended life of the aircraft, caused by fatigue failure frequency will also increase the institution. Landing gear is the main components for aircraft, so the fatigue life analysis is very major.
Purpose of this study is to use ANSYS Workbench to simulate the Special-Light Sport Aircraft landing gear fatigue. Analysis the landing gear’s fatigue life with different materials, different loads, and different shapes. Materials are aluminum alloy 6061-T6 and carbon fiber reinforced composite materials. Landing gear are leaf and cylindrical shapes to replace. Two loads are considered the design of CH701 maximum landing weight 450Kg and FAA Part1 600Kg.
In this study, following the rules of ASTM for metals and composite materials fatigue simulate testing first. Consistent with the experimental results and successful of using finite element simulate fatigue.
The landing gear with different static loads, different materials and different shapes from this study results, we can know its y direction of deformation , maximum stress , maximum strain ,and where it occur . About landing gear fatigue analysis results, aluminum alloy and composite materials landing gear fatigue life with 450Kg are above 108 cycle with no damage. The aluminum alloy 6061-T6 landing gear with cylindrical shape and 600Kg is 15 times fatigue life than the leaf shape landing gear . Carbon fiber-reinforced composites landing gear with leaf and cylindrical shape , and with 600Kg are above 108 cycle.
論文目次 目錄
目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 3
1.2.1 疲勞發展 3
1.2.2 飛機疲勞與事故 5
1.2.3 起落架疲勞 8
1.2.4 複合材料發展與應用 10
1.2.5 有限元素法與疲勞分析 13
1.3 研究目的與方法 16
第二章 理論基礎 18
2.1 疲勞理論 18
2.1.1 何謂疲勞 18
2.1.2 S-N曲線圖 20
2.1.3 裂紋起始與擴展 24
2.1.4 影響疲勞的因素 25
2.2 金屬與複合材料比較 29
2.2.1 特性 29
2.2.2 安全考量與設計 32
2.2.3 實地測試 36
2.3有限元素法及軟體 38
2.3.1 有限元素法基本原理 38
2.3.2 有限元素軟體ANSYS Workbench 40
第三章 結構與疲勞分析 41
3.1 前言 41
3.2 三維模型與網格建立 45
3.2.1 起落架模型 45
3.2.2 樣本模型 48
3.3 邊界條件 53
3.3.1 材料參數 53
3.3.2 靜態負載狀況 57
3.3.3 疲勞參數 57
3.4 靜態負載分析 60
3.4.1 鋁合金6061-T6 起落架 60
3.4.2 Carbon/Vinyl Ester Composite起落架 65
3.5 疲勞壽命分析 74
3.5.1 樣本模型疲勞壽命 74
3.5.2 鋁合金6061-T6 起落架 75
3.5.3 Carbon/Vinyl Ester Composite起落架 79
3.4.5 結論 82
第四章 結論 85
參考文獻 87
附錄 論文簡要版 91

圖目錄
圖1-1 疲勞理論應用範圍 ........................................................................................... 5
圖1-2 英國哈維蘭公司的彗星式客機 ..................................................................... 6
圖1-3 飛機承受循環負載示意圖 ............................................................................. 8
圖1-4 V-22 全機使用複合材料的情況 ................................................................. 12
圖1-5 波音787 全機使用複合材料的情況 ........................................................... 12
圖1-6 A350XWB 全機使用複合材料的情況 ........................................................ 13
圖1-7 本研究總流程圖 ........................................................................................... 17
圖2-1 完全循環應力 ............................................................................................... 19
圖2-2 固定振幅的非對稱循環應力 ....................................................................... 20
圖2-3 任意改變的循環應力 ................................................................................... 20
圖2-4 4043 鋼與2024 鋁的S-N 曲線圖 ................................................................ 22
圖2-5 不同平均應力下的S-N 曲線圖 ................................................................... 24
圖2-6 Goodman 理論示意圖 ..................................................................................... 26
圖2-7 Gerber 理論示意圖 .......................................................................................... 27
圖2-8 Soderberg 理論示意圖 ..................................................................................... 28
圖2-9 複合材料分類與應用 ..................................................................................... 30
圖2-10 有限元素分析之顯性法與隱性法運用比較 ............................................... 39
圖3-1 本研究程式分析流程圖 ................................................................................. 43
圖3-2 預計探討之3D 模型 ...................................................................................... 44
圖3-3 CH701 起落架草圖 .......................................................................................... 46
圖3-4 簡化後之CH701 平板起落架模型 ................................................................ 46
圖3-5 平板與圓柱截面積 ......................................................................................... 46
圖3-6 圓柱起落架模型 .............................................................................................. 47
圖3-7 平板起落架網格化 ......................................................................................... 47
圖3-8 圓柱起落架網格化 ......................................................................................... 47
圖3-9 圓柱切線連接的樣本模型[44] ...................................................................... 48
圖3-10 平板切線連接的樣本模型[44]..................................................................... 48
圖3-11 平板型樣本模型網格化 ............................................................................... 50
圖3-12 圓柱型樣本模型網格化 ............................................................................... 50
圖3-13 ASTM 規定之複合材料模型尺寸 ................................................................ 52
圖3-14 複合材料樣本模型 ....................................................................................... 52
圖3-15 複合材料樣本模型網格化 ........................................................................... 53
圖3-16 鋁合金6061-T6 S-N 曲線圖 ........................................................................ 55
圖3-17 Carbon/Vinyl Ester composite 疲勞曲線與方程式 ...................................... 57
圖3-18 R=-1 的循環應力情況 ................................................................................... 59
圖3-19 R=1 的循環應力情況 .................................................................................... 59
圖3-20 R=0(Zero-Based)的循環應力情況 ................................................................ 59
圖3-21 R=0.1 的循環應力情況 ................................................................................. 60
圖3-22 鋁合金6061-T6 平板起落架450Kg 負載y 方向變形量........................... 61
圖3-23 鋁合金6061-T6 平板起落架450Kg 負載Von Mises 應力 ......................... 61
圖3-24 鋁合金6061-T6 平板起落架450Kg 負載Von Mises 應變 ......................... 61
圖3-25 鋁合金6061-T6 平板起落架600Kg 負載y 方向變形量........................... 62
圖3-26 鋁合金6061-T6 平板起落架600Kg 負載Von Mises 應力 ......................... 62
圖3-27 鋁合金6061-T6 平板起落架600Kg 負載Von Mises 應變 ......................... 62
圖3-28 鋁合金6061-T6 圓柱起落架450Kg 負載y 方向變形量........................... 63
圖3-29 鋁合金6061-T6 圓柱起落架450Kg 負載Von Mises 應力 ......................... 64
圖3-30 鋁合金6061-T6 圓柱起落架450Kg 負載Von Mises 應變 ......................... 64
圖3-31 鋁合金6061-T6 圓柱起落架600Kg 負載y 方向變形量........................... 64
圖3-32 鋁合金6061-T6 圓柱起落架600Kg 負載Von Mises 應力 ......................... 65
圖3-33 鋁合金6061-T6 圓柱起落架600Kg 負載Von Mises 應變 ......................... 65
圖3-34 複合材料平板起落架450Kg 負載y 方向變形量 ....................................... 66
圖3-35 複合材料平板起落架450Kg 負載最大正向應力 ....................................... 67
圖3-36 複合材料平板起落架450Kg 負載最大正向應變 ....................................... 67
圖3-37 複合材料平板起落架600Kg 負載y 方向變形量 ....................................... 67
圖3-38 複合材料平板起落架600Kg 負載最大正向應力 ....................................... 68
圖3-39 複合材料平板起落架600Kg 負載最大正向應變 ....................................... 68
圖3-40 複合材料圓柱起落架450Kg 負載y 方向變形量 ....................................... 69
圖3-41 複合材料圓柱起落架450Kg 負載最大正向應力 ....................................... 69
圖3-42 複合材料圓柱起落架450Kg 負載最大正向應變 ....................................... 70
圖3-43 複合材料圓柱起落架600Kg 負載y 方向變形量 ....................................... 70
圖3-44 複合材料圓柱起落架600Kg 負載最大正向應力 ....................................... 70
圖3-45 複合材料圓柱起落架600Kg 負載最大正向應變 ....................................... 71
圖3-46 本研究鋁合金起落架與文獻[53]應力比較................................................. 73
圖3-47 本研究鋁合金起落架與文獻[53]應變比較.................................................. 73
圖3-48 鋁合金6061-T6 樣本模型與文獻疲勞曲線 .............................................. 74
圖3-49 複合材料樣本模型與文獻疲勞曲線 ............................................................ 75
圖3-50 鋁合金平板起落架450Kg 負載疲勞壽命 .................................................. 76
圖3-51 鋁合金平板起落架450Kg 負載交互應力 .................................................. 77
圖3-52 鋁合金平板起落架600Kg 負載交互應力 .................................................. 77
圖3-53 鋁合金平板起落架600Kg 負載疲勞 .......................................................... 77
圖3-54 鋁合金圓柱起落架450Kg 負載疲勞壽命 .................................................. 78
圖3-55 鋁合金圓柱起落架450Kg 負載交互應力 .................................................. 78
圖3-56 鋁合金圓柱起落架600Kg 負載交互應力 .................................................. 78
圖3-57 鋁合金圓柱起落架600Kg 負載疲勞壽命 ................................................... 79
圖3-58 複合材料平板起落架450Kg 負載交互應力 .............................................. 80
圖3-59 複合材料平板起落架600Kg 負載交互應力 .............................................. 80
圖3-60 複合材料圓柱起落架450Kg 負載交互應力 .............................................. 80
圖3-61 複合材料圓柱起落架600Kg 負載交互應力 .............................................. 81
圖3-62 複合材料平板起落架450Kg 與600Kg 負載疲勞壽命 ............................. 81
圖3-63 複合材料圓柱起落架450Kg 與600Kg 負載疲勞壽命 .............................. 81
圖3-64 鋁合金起落架靜態負載之結果比較 ........................................................... 83
圖3-65 複合材料起落架靜態結果比較 ................................................................... 84
圖3-66 鋁合金起落架之疲勞壽命比較 .................................................................... 84
表目錄
表 1-1 疲勞造成之重大飛行安全意外 ....................................................................... 6
表3-1 本研究鋁合金樣本模型及尺寸 ..................................................................... 51
表3-2 材料參數 ......................................................................................................... 54
表3-3 鋁合金6061-T6 S-N 曲線數據 ...................................................................... 55
表3-4 Carbon/Vinyl Ester composit 疲勞數據 ........................................................... 56
表3-5 鋁合金與複合材料靜態比較 ......................................................................... 72
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