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1、1,江 達 雲 國 立 成 功 大 學 航 空 太 空 工 程 學 系,飛 機 結 構 學 簡 介 Introduction to Aircraft Structures,2,課 程 大 綱,1. 飛機結構簡介 2. 結構靜力分析 3. 材料行為 及 疲勞分析 4. 彈性力學 及 應力分析 5. 有限元素法簡介 6. 半硬殼式結構分析 7. 複合材料簡介,3,1. 飛 機 結 構 簡 介,Engineering Structures: (purpose duration: 20 sec 大學課程目標 : Provide fundamental concepts in analysis and
2、design of aircraft structures. Develop analytical tools for prediction and assessment of structural behavior.,4,飛機組件及功能,6,1910年代之飛機結構,7,1980年代之飛機結構,8,2010 概念機,9,飛機公司之工程部門架構,Engineering Division Sections Specialized Groups 1. Preliminary Design Section 2. Technical Analysis Section Aerodynamics, Stru
3、ctures, Materials, Control, . 3. Component Design Section Structure (wing, body), System (mechanical/electrical) 4. Laboratory Test Section Wind tunnel, Structure, Propulsion, Electronics, . 5. Flight Test Section 6. Field Service Section,10,結 構 部 門,工作 提供結構之應力及變形資料 確保結構整體之經濟安全性 分 組 1) Applied Loads
4、Calculation Group (aerodynamic, inertia, control forces) 2) Stress Analysis & Strength Group (design verification) 3) Dynamic Analysis Group (modal analysis, shock & vibration, flutter) 4) Special Projects & Research Group (fatigue analysis, new wings) (Ref: Bruhn, “Analysis and Design of Flight Veh
5、icle Structures,”),11,飛 機 發 展 程 序,市場建立 需求定義 (尺寸、性能、成本) 初步設計 (準則、概念) 細部設計 (含分析、試驗) 製 造 測試驗證 (功能及性能) 營 運,12,飛 機 結 構 設 計 考 量,1. 成本及重量 (Cost and Weight) 2. 靜力強度 (Static Strength) 3. 耐久性 (Durability) 4. 耐損傷性 (Damage Tolerance) 5. 耐振顫及振動性 (Flutter and Vibration) 6. 耐腐蝕性 (Corrosion Resistance) 7. 耐毀損性 (Cra
6、shworthiness) 8. 維修及製造簡易性,13,結 構 設 計 概 念,飛具結構的有效性隨著重量增加而銳減。 2) 結構終將破壞；工程師的職責在於儘可能延遲破壞的發生。 3) 結構設計為一反覆的迭代程序；最佳設計。 4) 理論分析的優點在於無需成品而能預測破壞；其缺點則在於理論必含有假設與近似。,14,連 體 力 學 分 類,流體力學 固體力學： 以行為區分：材料力學、彈性力學、塑性力學、 黏彈性力學、破壞力學 . 以對象區分：結構力學、土壤力學、岩石力學 . 結構力學： 靜力學、動力學、板殼分析、結構穩定學 複合材料力學、有限元素法 .,15,2. 結構靜力分析,結構分類： 離散
7、vs.連續 線性 vs.非線性 靜定 vs.超靜定 穩定 vs.不穩定 結構元件： BAR：1-D 桿件，Rod (拉力) , Column (壓力), Shaft (扭矩), Beam (彎矩), Beam Column (壓力 + 彎矩) PLATE：Beam 的二維延伸 Membrane：in-plane axial load Shear Panel：in-plane shear load SHELL：結合Membrane、Shear Panel 及抗彎曲之效應,16,負 荷 分 類,表面力 (分佈、集中) 、 徹體力 (如慣性力) 動態 、 靜態 、 熱力 (thermal) 內負荷
8、(結構抗力) 軸力、剪力、彎矩、扭矩 (和外力平衡) 支承及反力 支承：限制自由度之束制 反力：束制所引制之負荷 支承型態： Hinge、Roller、 Fixed、Fixed-roller,17,設 計 負 荷,Limit (Applied) load： 結構可能遭遇之最大負荷 Ultimate (Design) load： limit load 乘上安全係數 (F.S.) F.S. =,18,靜 定 與 超 靜 定,靜平衡方程式 (i=x,y,z) 靜定性 (Statical Determinnancy) 若結構之內力及反力均能由平衡方程式求得 穩定性 (Stability) 1) 至少需
9、3個束制反力元素 2) 無外部或內部之幾何不穩定,19,結構材料選擇準則,1. 強度與勁度 2. 溫度與潛變 3. 疲勞與腐蝕 4. 重量與成本,20,3. 材料行為 及 疲勞分析,材料曲線特性 比例極限、 降伏點 、 極限強度 材料試驗 拉力試驗： 楊氏模數 Et 、降伏點 、抗拉強度 壓力試驗： 楊氏模數 Ec 、降伏點 、抗壓強度 剪力試驗： 薄壁圓管受扭矩，剪力模數,21,22,結 構 破 壞 形 式,1) 應力值超過強度 (Brittle) 2) 變形超過容許值 (Ductile) 3) 挫曲(不穩定)破壞 4) 疲勞(循環荷載)破壞,23,疲 勞 現 象 (Fatigue),由於循
10、環應力所引致微裂縫的產生及傳佈 疲勞試驗 定振幅循環應力反覆作用，求得破壞循環數 N 材料 S-N 曲線： b, c 為材料常數 Palmgren-Miner 線性損傷累積假說：,24,結 構 優 化,1) 選擇強度/勁度與重量比較佳之材料 考慮 抗腐蝕性、延展性、抗疲勞性 2) 採用夾層構造 (Sandwich Construction) 面板 + 低密度心材，抗振性及絕緣性佳 3) 適當補強以確保 Damage Tolerance 及 Fail Safe 造成高度靜不定,25,4. 彈性力學 及 應力分析,應 力 (stress)：正 (normal) 應力、剪 (shear) 應力 應
11、變 (strain)：正應變(長度變化) 剪應變(角度變化) 應變 - 位移關係 應力 - 應變關係 1) Linearly Elastic 2) Nonlinearly Elastic 3) Inelastic,26,廣義虎克定律 (等向性材料) 諧合方程式 (Compatibility Equations) 平衡方程式,27,應 力 分 析,力與應力 正應力與剪應力,28,剪 力 流, 剪力流分析較易，不需決定桿件腹寬 飛具結構常採用曲線腹板，如機翼蒙皮。 一般分析均假設腹板不承受彎曲應力， 只承受剪力， 剪力中心 (Shear Center) 開放型斷面抗扭矩強度低，外力需通過剪力中心,
12、29,5. 有限元素法簡介,結構系統 = 元素(子結構)之組合 有限元素模型： 結點 (Nodes)、 自由度 元素 (Elements)、 邊界條件 元素型式 1-D：Truss (Rod), Beam 2-D：Membrane, Plate, Shell 3-D：Solid (Brick),30,有限元素分析模型,31,勁度(變位)法,， 元素勁度矩陣 1. 假設位移函數： 2. 應變 - 變位關係：,32,3. 應力 - 應變關係： 4. 應力 - 結點力關係：,33,有限元素法施行步驟： 1. 定義結點、自由度、及元素型式。 2. 定義形狀函數以結點位移描述元素變位場。 3. 由平衡關
13、係推導元素勁度矩陣 。 4. 組合整體平衡(運動)方程式，並考慮適當邊界條 件以求解結點變位。 5. 計算元素內各點之變位、應力等反應。 優點： 1. 自動化計算能力強大，能處理多工程領域之問題。 2. 適用於結構含複雜之幾何、材料、邊界條件。 3. 能有效處理不同之負荷情況。,34,6. 半硬殼式結構分析,Semi-monocoque：Shell + Stiffeners 高度靜不定、開口(cut-outs) 蒙皮 (Skin Sheet)：承受平面內剪力及拉力 加勁桿 (Stiffeners)：分佈集中載重、抵抗彎應力 如機身隔艙(Bulkheads)、翼肋樑(Ribs) 開口(cut-o
14、uts)：造成應力反應增加，需加勁補強,35,7. 複合材料簡介,Composite Materials Fiber (纖維) + Matrix (基材) Steel + Concrete Glass + Resin Graphite + Metal Kevlar + Ceramics Sandwich construction thin facing plates + core (honeycomb),36,蜂巢狀結構,37,複合材料特性,優點 高比強度/比勁度 (質量輕) 耐腐蝕 耐磨耗 缺點 脫層問題 疲勞問題 價格問題,38,波音飛機 複合材料組件,39,全複合材料概念機,40,複合材料分析,複合材料屬正向性(orthotropic)材料 三維彈性應力-應變關係含有九個材 料常數，分析較為繁複。 複合材料多製成層板，可以平面應 力 (plane stress)簡化分析。,41,Thanks for Your Attention ,
