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。

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.

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

[1] 中華航太產業發展促進會，產業新聞 “國際航空運輸協會大幅下調今年航空業虧損預期”， 2010年3月15日。
[2] 林祥生，“中華航空的總體環境分析-五力分析-KSF 比較”，中華大學運輸科技與物流管理學系，2007年6月。
[3] 航太小組辦事處，“世界民航運輸飛機巿場預測”，航太工業通訊雜誌，第4期，1993。
[4] Ohchida, H. “Analysis of Service Failures of Hitachi Products (1970-1975),” Hitachi Company Report, July ,1979.
[5] Duga, J. J. , “The Economic Effects of Fracture in the United States,” Part 2, A Report to NBS by Battllle Columbus Laboratories, March, 1983.
[6] Fuchs, H. O., Metal Fatigue in Engineering, John-Wiley & Sons Inc. ,1980.
[7] 林曉斌，中國科學青年科學家論壇：虛擬工程與科學，北京，2010年5月。
[8] M. Ciavarella, N. Pugno,” A GENERALIZED PARIS’ LAW FOR FATIGUE CRACK GROWTH”, ASSOCIAZIONE ITALIANA PER L’ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI XXXIV CONVEGNO NAZIONALE, 14–17 SETTEMBRE 2005
[9] Jaap Schijve,”FATIGUE DAMAGE IN AIRCRAFT STRUCTURES,NOT WANTED,BUT TOLERATED?”,Delft University of Technology, Faculty of Aerospace Engineering,2007.
[10] R.J.H. Wanhill ,“Milestone Case Histories in Aircraft Structural integrity”, NLR-TP,May,2002.
[11] 景鴻鑫，“疲勞結構飛機的致命傷”，中國時報時報科學，1992年10月19日。
[12] 王旭亮、聶宏、薛彩軍，”飛機起落架結構疲勞與壽命設計展望”，機械科學與技術，第7期，第28卷，2009年7月。
[13] F. Bagnoli, M. Bernabei,” Fatigue analysis of a P180 aircraft main landing gear wheel flange”, ScienceDirect Engineering Failure Analysis,Vol.15,pp.654-665,2008.
[14] L.A.L. Franco, N.J. Lourenc﹐o, M.L.A. Grac﹐a, O.M.M. Silva, P.P. de Campos, C.F.A. von Dollinger,” Fatigue fracture of a nose landing gear in a military transport aircraft”, ScienceDirect  Engineering Failure Analysis,Vol.13,pp.474-479,2006.
[15] Eric J. Tuegel, Craig L. Brooks,” Cyclic relaxation in compression-dominated structures”, ScienceDirect International Journal of Fatigue,Vol.19,pp.245-251,1997.
[16] 馬建、薛彩軍、鄧亞權、王宏，”起落架結構疲勞壽命預測技術研究”，南京航空航天大學飛行器先進設計技術國防重點學科實驗室。
[17] Dr. Ravi,B. Deo,Dr. James H. Starnes, Jr.,Richard C. Holzwarth” Low-Cost Composite Materials and Structures for Aircraft Applications”, RTO-MP-069(II),May,2001.
[18]DREAMLINER 101: ALL ABOUT THE BOEING 787, http://www.seattlepi.com/.
[19] Rob Vogelaar ,” Harbin Hafei Airbus Composite Manufacturing Centre awarded A350 elevator work package”,AVIATIONNEWS.EU,January 14, 2010.
[20] 沈軍、謝懷勤，”航空用複合材料的研究與應用進展”，哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，2006年9月。
[21] Joseph F. Rakow, Alfred M. Pettinger,” Failure Analysis of Composite Structures in Aircraft Accidents”, ISASI 2006 Annual Air Safety Seminar, Cancun, Mexico September 11-14 2006
[22] Amit Goyal, “Light Aircraft Main Landing Gear Design and Development”, M. S. Ramaiah,School of Advanced Studies, INDIA, 2002.
[23] 許育銓，” SA533 B1 壓力槽鋼材之高週疲勞壽限評估模式研究”， 國立中央大學機械工程研究所碩士論文，2001年7月。
[24] 吳佳憲，”金屬材料疲勞壽命評估系統設計”，國立成功大學系統暨船舶機電工程學系研究所碩士論文，2006年6月。
[25] 黃政介，”小型賽車車架的設計與疲勞壽命分析”，大葉大學機械工程研究所碩士班論文，2005年6月。
[26] 楊詠超，” 引擎排氣歧管固定鉗之電腦輔助疲勞分析”，逢甲大學航太與系統工程學系碩士班，2007年7月。
[27] Dogan Ozmen, Mustafa Kurt, Bulent Ekici, Yusuf Kaynak ,”Static, dynamic and fatigue analysis of a semi-automaticgun locking block”, ScienceDirect Engineering Failure Analysis ,Vol.16,pp.2235-2244,2009.
[28]“-Metal Fatigue -Why Metal Parts Fail From Repeatedly-Applied Loads”,http://www.epi-eng.com/ 
[29] 莊東漢，”材料破損分析”，五南圖書出版，2007年3月9日。
[30] MSC Software,http://www.mscsoftware.com.tw/products/Specific/fatigue.htm.
[31] Comeau, Christian R,” Critical Erosion/Corrosion Piping Wall Thicknesses Under Static and Fatigue Stress Conditions According to ASME Guidelines” ,July,2001.
[32] 葉銘泉，”溫度溼度效應與預扭及低能量衝擊之交互作用對碳纖維/環氧樹脂複合材料疲勞行為之影響”，國立清華大學動力機械研究所博士論文，2003年7月。
[33] Raymond L. Browell, P. E., Al Hancq,”Predicting Fatigue Life with ANSYS Workbench-How To Design Products That Meet Their Intended Design Life Requirements”,2006 International Ansys Conference,May2-4,2006.
[34] 趙玨，” 複合材料工業全球競爭力之發展願景與策略”，第五屆全國工業發展會議，2004年。
[35] Joseph A. Schetz, “Composite Material for Aircraft Structures/ Alan Baker, Stuart Dutton, Donald Kelly 2nd”, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Ins. Chapter 13, 2004.
[36] 陳玉成，陳守義，”參加美國波音公司飛機修理訓練課程：「Metallic Repair Structural Repair for Engineers - Part III」”出國報告書，民用航空局，2010年2月1日。
[37] FAA, http://www.faa.gov/.
[38] 張庭彰，”高爾夫球桿頭形狀變化之碰撞結果分析”，國立中山大學機械與機電工程研究所碩士論文，2004年6月。
[39] ANSYS Training Manual, ”ANSYS Workbench-Simulation ”,July,2006
[40] DOE/MSU COMPOSITE MATERIAL FATIGUE DATABASE Version19, March 31,2010
[41]ASTM D3039M/D3039M-95a,”Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials”
[42]ASTM D3479/D3479M-96,” Standard Test Method for Tention-Tention Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials”
[43] Special Light-Sport Aircraft, http://www.sportpilot.org/learn/slsa/.
[44] ASTM E466 - 07 ,”Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials”.
[45] Zenith Aircraft Company，http://www.zenithair.com/.
[46] MatWeb, http://www.matweb.com/.
[47] G.T.Yahr,”FATIGUE DESIGN CURVES FOR 6061-T6 ALUMINUM” , Engineering Technology Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831-8051.
[48] FAR Part 1，http://www.faa.gov/.
[49] Cezch Aircraft works, ”Flight Manual ZENAIR STOL CH 701”,Cezch Republic edition 3 , 1999.
[50] Stress-Life Fatigue Analysis,ETBX, http://www.engrasp.com/doc/etb/mod/fm1/stresslife/stresslife_help.html.
[51] 中華航太工業股份有限公司，http://lahohwa.com/casiaero/.
[52] SolidWorks 說明，http://help.solidworks.com/2010/Chinese/SolidWorks/cworks/LegacyHelp/Simulation/Checking_stresses/prot_norm.html
[53] 陳建銘，”輕航載具起落架關鍵負載分析”，淡江大學航空太空工程學系碩士論文，2008年5月22日。