[[alternative]]Crashworthiness analysis of light sport aircraft structure

碩士[[abstract]]科技隨著時代在進步，飛機的各項性能也越來越好，但仍無法避免人為失誤或機械故障等因素所產生的因素。而適墜性是研究如何使乘員在飛航事故中提高存活的機率而發展出的一個重要課題。本文以台灣超輕型載具的飛航事故案例，用以說明飛機適墜性的重要。近些年來，適墜性的研究大多數以民用大型飛機為主，而在小飛機上適墜性的研究就較為不足。由於未來民用小飛機的市場需求將會增加，對於安全性的需求亦必然會提高。本研究以STOL CH701機身結構框架為樣本，使用有限元素軟體HyperMesh與LS-DYNA來進行結構動態撞擊的模擬分析，藉此建立飛行速度、撞擊角度和結構強度的關係。 本文主要依據AGATE研究報告中所統計出在事故中可能存活的速度與角度， 以及ASTM F2245-07所規範的飛行下降速度分別進行模擬，並驗證動態模擬平台的可靠性。進一步再針對不同的速度角度進行墜撞模擬，建立輕型航空載具之速度、角度與座艙壓縮比的關係，以及在座艙壓縮15%的安全規範之下，探討速度與姿態角的安全區域。[[abstract]]Science and technology are processing with era. The controllability performance on the aircraft is much better than before, but it still hard to avoid human error or mechanical breakdown, etc. This research of crashworthiness is one of an important issue of how can we approve the percentage of survival in the accident. This research takes the aviation accidents in Taiwan as an example of light-sport aircraft; explain the importance of crashworthiness of aircraft. Recently, most research of crashworthiness are mainly discuss about large civil aircraft, barley discuss about small civil aircraft. Because of the market demand on the small civil aircraft increase in the future, the demand of security must improve. This research regards STOL CH701 structural of airframes as samples, using software of finite element─HyperMesh and LS-DYNA to simulate and analysis the structure on dynamic test, to build the relationship between flying speed, impact angle and structural strength. This research is proving that reliability of the simulate dynamic test based on the AGATE report data that shows the possibility velocity and angle that passenger may survive in the accident, and the stalling speed which follows ASTM standard then analyzing, respectively. Further more, we use different angle to run the simulation test, and built the relationship between velocity, angle and the cockpit reducing rate of the light sport aircraft. Besides we set up the cockpit reducing rate as 15%, to find out the safety zone between the velocity and angle.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要..............................................I 英文摘要.............................................II 圖目錄................................................V 表目錄...............................................VI 第一章、緒論..........................................1 1.1前言...............................................1 1.2飛航事故...........................................1 1.2.1民用航空法用詞定義與分類.........................2 1.2.2國內飛航事故統計.................................2 1.3超輕型載具安全議題.................................5 1.4適墜性的概念.......................................8 1.5研究目的及方法....................................10 第二章、文獻回顧.....................................12 2.1飛機地板結構的適墜性..............................12 2.2流體對結構的影響..................................12 2.3結合人體進行的分析................................13 2.4模擬與實驗的比較..................................14 2.5輕型飛機結構適墜性的改進..........................15 2.6研究趨勢..........................................21 第三章、基礎理論.....................................23 3.1適墜性簡介........................................23 3.1.1基本設計思想....................................23 3.1.2生存事故與飛機速度關係..........................25 3.2適墜性相關法規....................................26 3.2.1結構強度........................................26 3.2.2艙內防火........................................27 3.2.3緊急撤離及救難設備..............................28 3.2.4乘客告示和通告..................................29 3.2.5緊急著陸........................................29 3.2.6 ASTM對輕型運動載具的規定.......................30 3.2.7 美國軍用標準MIL-STD-1290.......................31 3.3有限元素法及LS-DYNA...............................31 第四章 結構模擬分析..................................37 4.1分析流程..........................................37 4.2數值模型建立......................................39 4.3 環境與材料參數...................................43 4.4 墜落環境設定.....................................44 4.4.1 AGATE研究之環境................................44 4.4.2 ASTM規範之環境.................................47 4.4.3 兩種環境的結果比較.............................49 4.5 飛機速度與撞擊角度的相關性.......................49 4.5.1 速度與座艙壓縮比的關係.........................50 4.5.2 角度與座艙壓縮比的關係.........................51 4.5.3 垂直速度與角度的關係...........................53 4.5.4 速度與角度的關係...............................54 第五章、結論.........................................56 5.1研究結果與討論....................................56 5.2未來研究方向與建議................................57 參考文獻.............................................58 附錄 論文簡要版......................................60 圖目錄 圖1-1 本研究總流程圖...............................11 圖2-1 人體有限元素應力分佈.........................14 圖2-2 模擬計算模型和實驗件全機(假人)撞擊破壞情況...15 圖2-3 NASA為農用輕型飛機研發的座椅.................17 圖2-4 AGATE對前機身的結構安全設計..................18 圖2-5 AGATE衝擊試驗的環境條件......................19 圖2-6 AGATE簡化的引擎架模型........................19 圖2-7 IDRF設備.....................................20 圖2-8 IDRF衝擊試驗示意圖...........................20 圖2-9 飛機衝擊實驗.................................21 圖3-1 墜機事故中飛機撞擊速度與生存範圍.............25 圖3-2 懸臂樑問題示意圖.............................32 圖3-3 懸臂樑受力形變前後示意圖.....................32 圖3-4 有限元素分析之顯性法與隱性法之比較...........34 圖4-1 本研究分析流程圖.............................38 圖4-2 STOL CH 701飛機三視圖........................40 圖4-3 STOL CH701 機身結構..........................41 圖4-4 簡化STOL CH701機身結構.......................42 圖4-5 網格化STOL CH701機身結構.....................42 圖4-6 機身結構樑之斷面.............................44 圖4-7 AGATE環境狀況下撞擊..........................45 圖4-8 AGATE環境狀況下滑動能圖......................46 圖4-9 AGATE環境狀況下總能量圖......................46 圖4-10 ASTM環境狀況下撞擊...........................47 圖4-11 AGATE環境狀況下滑動能圖......................48 圖4-12 ASTM環境狀況下總能量圖.......................48 圖4-13 速度與座艙壓縮比之關係.......................50 圖4-14 角度與座艙壓縮比之關係(速度18.05m/s).........51 圖4-15 角度與座艙壓縮比之關係(速度23.15m/s).........52 圖4-16 角度與座艙壓縮比之關係(垂直速度12.81m/s).....53 圖4-17 垂直速度與角度之關係.........................54 圖4-18 座艙壓縮15%的安全曲線........................55 表目錄 表1-1 1999至2008年飛航事故造乘員死亡各類航空器統計...3 表1-2 國籍民用航空運輸業渦輪噴射飛機機型.............4 表1-3 國籍民用航空運輸業渦輪螺旋槳飛機機型...........4 表1-4 國籍普通航空業航空器機型.......................4 表1-5 公務航空器機型.................................4 表1-6 2004~2009年國內超輕型載具飛航事故..............6 表1-7 1989~2004年國內超輕型載具飛航事故..............7 表3-1 艙內設備關於強度方面的法規....................26 表3-2 艙內設備關於強度方面的技術標準................27 表3-3 艙內防火涉及的法規............................27 表3-4 緊急撤離措施與救生設備相關的法規..............28 表3-5 緊急撤離措施與救生設備方面的技術標準..........29 表3-6 告示相關法規..................................29 表3-7 緊急著陸相關法規..............................30 表3-8 ASTM輕型運動載具標準..........................30 表4-1 6061-T6 主要材料特性..........................43 表4-2 AGATE與ASTM撞擊環境比較.......................49[[note]]學號: 697430717, 學年度: 9