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系統識別號 U0002-0901202419332800
DOI 10.6846/tku202400005
論文名稱(中文) 航空複合材料層板嵌補式修補與 智慧結構包埋微帶天線之材料試驗研究
論文名稱(英文) Study on Material Test of Aerospace Composite Laminates by Scarf Repair and Microstrip Antenna Embedded in Smart Structure
第三語言論文名稱
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中文) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英文) Department of Aerospace Engineering
外國學位學校名稱
外國學位學院名稱
外國學位研究所名稱
學年度 112
學期 1
出版年 113
研究生(中文) 廖偉竣
研究生(英文) Wei-Jun Liao
學號 610430349
學位類別 碩士
語言別 繁體中文
第二語言別
口試日期 2024-01-02
論文頁數 67頁
口試委員 指導教授 - 洪健君(chienchun.hung@mail.tku.edu.tw)
口試委員 - 張永康( ykchang@mail.tku.edu.tw)
口試委員 - 楊豫台
關鍵字(中) 嵌補式修補
超音波檢測
三點彎曲試驗
智慧結構
關鍵字(英) Scarf Repair
Ultrasonic Testing
Three-Point Bending Test
Smart Structure
Microstrip Antenna
第三語言關鍵字
學科別分類
中文摘要
本研究延續先前航空複合材料層板嵌補式修補模擬分析之研究,製作橢圓嵌補式修補層板並且進行超音波檢測,再進行三點彎曲試驗檢測其最大變形量與能承受最大負載。發現本研究橢圓嵌補式修補層板最大變形量為 18.71 mm,能承受最大負載為 133 kgw,亦即本研究橢圓嵌補式修補層板的最大變形量與能承受最大負載皆優於先前研究。 
目前國內對於微帶天線之研究非常盛行,嵌補式修補則可以應用於複合材料包埋微帶天線相關技術之研究;本研究修正先前智慧結構包埋微帶天線的尺寸錯誤與缺漏邊緣效應(Fringing Effect)的問題,使用 ANSYS HFSS®軟體進行性能分析與模擬,並利用複合材料將其包埋製作成智慧結構,本研究在修正尺寸錯誤與考慮邊緣效應後智慧結構頻寬優於先前研究;在完成電磁模擬與分析之後,本研究利用超音波檢測和三點彎曲試驗檢測其智慧結構的機械性質發現本研究智慧結構承受最大變形量為 18.71 mm,能承受最大負載為187 kgw。本研究完成智慧結構電磁模擬分析與利用超音波檢測和三點彎曲試驗檢測其機械性質,希望未來本研究智慧結構能夠應用於飛行器等相關領域,同時本研究也完成橢圓嵌補式修補層板超音波檢測與三點彎曲試驗,希望有助於未來進行嵌補式修補等相關研究。
英文摘要
The study builds upon previous research in simulation analysis for aerospace composite laminates with scarf repair. Elliptical patch-repaired laminates were fabricated and underwent ultrasonic testing, followed by a three-point bending test to assess their maximum deformation and load-bearing capacity. The study revealed that the maximum deformation of the elliptical patch-repaired laminates was 18.71 mm, and the laminates could withstand a maximum load of 133 kgw. 
    In addition, this study addressed dimensional errors and the fringing effect in the smart structure embedded with microstrip antennas, as identified in previous research. ANSYS HFSS® software was employed for performance analysis and simulation. The microstrip antenna was embedded with composite laminates, and the smart structure combined embedded microstrip antennas with composite laminates. After correcting dimensional errors and considering edge effects, the bandwidth of the smart structure in this study surpassed that of the previous research. Following simulation and analysis, ultrasonic testing and three-point bending tests were conducted to evaluate the mechanical properties of the intelligent structure.  
The study found that the smart structure could withstand a maximum deformation of 18.71 mm and bear a maximum load of 187 kgw. 
    Furthermore, the study completed ultrasonic testing and three-point bending experiments on elliptical patch-repaired laminates. This aspect of the study is expected to contribute valuable insights for the repair of aerospace composite laminates. 
第三語言摘要
論文目次
目錄
第一章 緒論.........................................1
1.1 研究動機.................................................1
1.2 文獻回顧.......................................2
1.3 研究方法...................................3
第二章 複合層板嵌補式修補.................................................................5
2.1 複合材料簡介................................5
2.2 編織布與單向布之比較......................................9
2.3 複合材料修復方法..........................................10
2.4 有限元素法模擬分析................................12
第三章 微帶天線與智慧結構.........................15
3.1 研究方法與過程..........................................................15
3.2 微帶天線工作原理..............................................15
3.2.1 微帶天線的供電方式.......................15
3.2.2 微帶天線的輸入阻抗...................................16
3.2.3 線性極化矩形微帶天線設計.............................20
3.3 三旁枝多節枝幹耦合器...........................................25
3.4 序列化陣列天線.....................................................26
3.4.1 序列化枝幹耦合天線......................................27
3.5 智慧結構模擬.........................................29
3.6 序列化枝幹耦合天線研製與量測...................................................31
3.7 智慧結構研製與量測........................................37
第四章 材料試驗..............................39
4.1超音波介紹.....................................39
4.1.1橢圓板嵌補式修補層板超音波檢測..............................................39
4.1.2橢圓板嵌補式修補層板三點彎曲試驗..........................................42
4.2智慧結構材料試驗....................................................47
4.2.1智慧結構超音波檢測....................47
4.2.2 智慧結構三點彎曲試驗..................................50
第五章 結論.............................................................52
參考文獻...............................................................53
圖目錄
圖1-1研究方法流程圖.......................................4
圖2-1波音 787 客機機身材料使用分布及比例圖................................6
圖2-2材料比強度圖..............................................7
圖2-3材料比剛度圖...................................................7
圖2-4材料密度圖..........................................8
圖2-5複合材料與金屬 S-N 圖......................................8
圖2-6單向布與編織布示意圖................................10
圖2-7複合材料修復工法................................11
圖2-8圓形與橢圓形階梯嵌補式修補工法示意圖................................11
圖2-9碳纖維層板.................................12
圖2-10碳纖維層板修補前重量....................................13
圖2-11碳纖維層板打磨完成...........................................13
圖2-12 GMI AERO 加溫控制器................................14
圖2-13橢圓嵌補式修補層板......................................14
圖2-14橢圓嵌補式修補層板重量.....................................................15
圖3-1矩形微帶天線示意圖................................................18
圖3-2考慮供電點的等效電路............................................20
圖3-3微帶供電線路示意圖.................................................21
圖3-4軸比示意圖...........................................................22
圖3-5微帶線路示意圖..................................23
圖3-6微帶線路電場輻射線示意圖........................................................23
圖3-7矩形微帶天線實際長度及有效長度示意圖................................23
圖3-8線性極化矩形微帶線示意圖........................................................25
圖3-92.40 GHz矩形線性極化微帶天線模擬示意圖.............................25
圖3-102.40 GHz矩形線性極化微帶天線反射損耗模擬圖...................26
圖3-11三旁枝多節枝幹耦合器佈線示意圖..........................................26
圖3-12耦合器反射損耗及隔離量頻率反應圖......................................27
圖3-13耦合器耦合量頻率反應圖................................27
圖3-14序列化陣列天線基本結構示意圖..............................................28
圖3-15序列化枝幹耦合天線佈線圖.....................................28
圖3-16序列化枝幹耦合天線反射損耗模擬圖......................................29
圖3-17序列化枝幹耦合天線反射損耗模擬圖(考慮邊緣效應)…....29
圖3-18智慧結構模擬示意圖..............................30
圖3-19智慧結構模擬側面示意圖................................30
圖3-20智慧結構反射損耗模擬圖.............................31
圖3-21真空雙面曝光機...............................32
圖3-22感光電路板進行顯影.......................................................32
圖3-23感光電路板完成顯影..................................................33
圖3-24水平自走式蝕刻機................................................34
圖3-25序列化枝幹耦合天線.....................................................35
圖3-26小型 USB 向量網路分析儀......................................................35
圖3-27序列化枝幹耦合天線量測圖......................................................36
圖3-28先前研究序列化枝幹耦合天線量測圖......................................36
圖3-29使用刮板把基材平均分散到玻璃纖維布..................................37
圖3-30預浸布製作.......................................................38
圖3-31真空加壓製程各層示意圖.........................................38
圖3-32蜂巢結構和天線上下兩面刷上一層基材..................................39
圖3-33真空加壓前置作業....................................................40
圖3-34智慧結構...................................................40
圖3-35智慧結構量測圖...................................................41
圖3-36先前研究智慧結構量測圖.............................................41
圖4-1超音波檢測儀 OLYMPUS EPOCH 650......................................43
圖4-2橢圓嵌補式修補層板網格...............................................44
圖4-3電腦伺服拉(壓)力試驗機 Cometech QC-505M1F......................46
圖4-4橢圓嵌補式修補層板進行三點彎曲試驗示意圖........................47
圖4-5橢圓嵌補式修補層板三點彎曲試驗結果負載-位移圖......49
圖4-6橢圓嵌補式修補層板實驗結果比較圖...............49
圖4-7智慧結構網格..........................................................51
圖4-8智慧結構進行三點彎曲試驗示意圖............................................53
圖4-9智慧結構三點彎曲試驗結果負載-位移圖..................................53
表目錄
表2-1複合材料單向布與編織布的力學性能比較表............................10
表4-1橢圓嵌補式修補層板厚度值........................................................44
表4-24-2圓型嵌補式修補層板厚度值..................................................45
表4-3橢圓嵌補式修補層板實驗結果....................................................48
表4-4橢圓嵌補式修補層板實驗結果比較............................................50
表4-5智慧結構厚度值.........................................................52
表4-6智慧結構實驗三點彎曲試驗結果................................................54
參考文獻
參考文獻
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