[[alternative]]Fatigue analysis of light aircraft fiber glass composite landing gear

碩士[[abstract]]隨著油價高居不下，為因應現今油價問題，使用高強度比之複合材料來降低營運成本為目前航空業之市場趨勢。另外，飛機之延壽計畫也是航空業者為降低營運成本所積極進行之計畫。但由於航空器隨使用年限的增加，因疲勞問題所造成之機構故障頻率也大幅增加。因此，探討飛機之疲勞壽命分析顯得更為重要。 本研究主要利用有限元素軟體建立輕型航空運動載具之起落架疲勞模擬平台，並對起落架之不同材料與不同外形進行靜態與動態(疲勞)模擬分析。材料主要選用鋁合金6061-T6與玻璃纖維強化複合材料。起落架外型則以板狀起落架與圓管狀起落架進行分析。負載重量根據Zenith公司CH701最大起飛重量450kg為主要負載。 由本研究結果可得：複合材料之重量相對於鋁合金大幅減少45%。另外，於相同外形之板狀起落架，其複合材料之應力值相對鋁合金減少21%；而複合材料之應變量則相對鋁合金增加78%。又於相同外形之圓管狀起落架，其複合材料之應力值相對鋁合金增加35%；而複合材料之應變量則相對鋁合金增加76%。於疲勞模擬方面，複合材料與鋁合金起落架於450kg負載時，其疲勞壽命皆高達108cycle。由結果顯示，此兩種材料皆滿足一般輕型航空運動載具所設計之安全壽期，且皆無發生破壞。 另外，為探究彈性係數、剪力模數與應力比對材料之影響。本研究於靜態分析時，亦分析彈性係數與剪力模數對材料之影響。其結果顯示：剪力模數相對彈性係數對材料之變形量有較大之影響。而於動態分析時，亦分析應力比對材料之影響。其結果顯示：材料之疲勞壽命值隨著應力比之減少而增加；而當材料於往復式循環負載時，其疲勞壽命值則隨著振幅值增加而減少。[[abstract]]With the hard price of oil, it has been a trend using the composite materials of high ratio of the aircraft in order to reduce the cost of the aviation industry. As time goes, fatigue failure would also increase the probability of accidents. Therefore, it is important to discuss the analysis of the fatigue life. The purpose of this study is to use ANSYS Workbench to simulate the fatigue of the Light Sport Aircraft landing gear and analyze the fatigue life in different materials and different shapes. Aluminum alloy 6061-T6 and M9.6 Hexcel Glass Composite in shapes of leaf and tube are both used in this study. The load is considered the maximum of landing weight 450 kg, which is designed from CH701 according to Zenith. From the results of this study shows that the using composite material relative to the aluminum alloy cause 45% reduction significantly in weight. Static analysis for the leaf of the same shape shows that using composite material reduce stress to 21% and increase strain up to 78% related to aluminum alloy. On the other hand, in the analysis of the same tube shape, the composite material have huge progress in stress and strain by 35% and 76% respectively in comparison of aluminum alloy. From the results of fatigue analysis, , the fatigue life both reach to 108 cycle when loading for 450kg and are without any damage in materials of whether composite or aluminum alloy landing gear. In addition, the study also research that what do Elastic coefficient and the shear modulus have impact on materials in static analysis. The result shows that shear modulus have the larger effect on the deformation. Nevertheless, in the dynamic analysis, the result of stress analysis shows that the materials fatigue life value decreases with increasing stress ratio. Contrarily, when in the reversed cycle, the value of the fatigue life increases with the amplitude value decreases.[[tableofcontents]]目錄 摘要 Ⅰ 目錄 Ⅲ 圖目錄 Ⅴ 表目錄 Ⅸ 第一章、緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.2.1 複合材料於航太產業之發展 2 1.2.2 疲勞發展 8 1.2.3 飛機疲勞事故 9 1.2.4 ANSYS Workbench相關疲勞分析之研究 14 1.3 研究目的與方法 16 第二章、基礎理論 19 2.1 複合材料與金屬材料之比較 19 2.1.1 複合材料發展與基本構成 19 2.1.2 複合材料與金屬材料之差異分析 22 (一) 張力與壓力 22 (二) 彎曲 29 (三) 衝擊 30 (四) 疲勞 31 2.2 疲勞理論 32 2.2.1 疲勞簡介 32 2.2.2 影響疲勞破壞之其他因素 35 2.2.3 S-N曲線圖 42 2.2.4 複合材料的疲勞破壞 44 2.3 數值分析與ANSYS 46 2.3.1 有限元素法 46 2.3.2 ANSYS與軟體架構 47 2.3.3 ANSYS Workbench 53 第三章、起落架結構與疲勞分析 54 3.1 前言 54 3.2 分析流程 54 3.3 模型建立 57 3.4 材料參數設定 60 3.5 靜態模擬 61 3.5.1 靜態分析設定 61 3.5.2 靜態分析結果 62 3.6 疲勞壽命分析 71 3.6.1 樣本模型疲勞分析 71 3.7 動態模擬 73 3.7.1 動態分析設定 73 3.7.2 動態分析結果 76 3.8 應力比對玻璃纖維複合材料疲勞之影響 81 3.8.1 應力比之設定 81 3.8.2 應力比對疲勞影響之結果 82 3.9 彈性係數與剪力模數對複合材料起落架之影響 85 3.9.1 彈性係數與剪力模數之設定 85 3.9.2 彈性係數與剪力模數對材料影響之結果 86 第四章、結論 91 文獻參考 96 附錄 論文簡版 99 圖目錄 圖1-1 各年航空領域之複合材料應用情況 2 圖1-2 各種材料使用於Boeing787之分布圖 4 圖1-3 Boeing公司於各型飛機之複合材料使用百分比 4 圖1-4 Airbus公司於各型飛機之複合材料使用百分比 5 圖1-5 各種材料使用於A380之分布圖 5 圖1-6 各種材料使用於A350XWB之分布圖 6 圖1-7 各種材料使用於F-18之分布圖與重量百分比 7 圖1-8 de Havilland公司之DH 106 Comet型客機 10 圖1-9 Airbus A300-600型飛機之複合材料垂直尾翼示意圖 11 圖1-10 AA 587之垂直尾翼破壞圖 12 圖1-11 AA 587垂直尾翼受力示意圖 13 圖1-12 輕型航空運動載具於2012上半年之市場需求 17 圖1-13 本研究之流程概要圖 18 圖2-1 複合材料之分類與應用 20 圖2-2 複合材料依不同強化物之分類樹狀圖 21 圖2-3 一般金屬材料之應力與應變圖 23 圖2-4 脆性材料與延展性材料之應力應變圖 24 圖2-5 複合材料常用纖維與鋁合金7075-T6之應力應變比較圖 25 圖2-6 鋁合金之拉伸破壞圖 27 圖2-7 複合材料之拉伸破壞圖 27 圖2-8 複合材料於承載壓力破壞之扭曲圖 28 圖2-9 複合材料於承載壓力破壞之挫曲圖 28 圖2-10 複合材料於承受彎曲負載之破壞圖 29 圖2-11 複合材料機翼之彎曲破壞圖 30 圖2-12 多層複合材料於外力衝擊之脫層破壞圖 31 圖2-13 疲勞試驗之交互應力與平均應力示意圖 33 圖2-14 典型之疲勞交互應力循環模式 34 圖2-15 交互應力、平均應力與疲勞壽命之關係圖 36 圖2-16 完全往復式循環模式 36 圖2-17 Goodman Formula示意圖 38 圖2-18 Gerber Formula示意圖 38 圖2-19 Soderberg Formula示意圖 39 圖2-20 Morrow Formula示意圖 40 圖2-21 各疲勞準則之比較圖 40 圖2-22 延展性材料之S-N曲線圖 43 圖2-23 脆性材料之S-N曲線圖 44 圖2-24 金屬材料與複合材料之疲勞行為比較圖 45 圖2-25 有限元素法之簡化流程圖 51 圖2-26 ANSYS分析作業流程圖 52 圖3-1 本研究之分析流程圖 56 圖3-2 本研究之分類分析圖 56 圖3-3 CH701之起落架草圖 57 圖3-4 CH701之簡化板狀起落架 58 圖3-5 CH701之簡化圓管狀起落架 58 圖3-6 板狀起落架與圓管狀起落架之截面積示意圖 58 圖3-7 板狀起落架之網格化 59 圖3-8 圓管狀起落架之網格化 59 圖3-9 板狀起落架之負載設定 61 圖3-10 圓管狀起落架之負載設定 61 圖3-11 鋁合金6061-T6板狀起落架之y軸變形量 62 圖3-12 鋁合金6061-T6板狀起落架之Von Mises應力值 63 圖3-13 鋁合金6061-T6板狀起落架之Von Mises應變量 63 圖3-14 鋁合金6061-T6圓管狀起落架之y軸變形量 64 圖3-15 鋁合金6061-T6圓管狀起落架之Von Mises應力值 64 圖3-16 鋁合金6061-T6圓管狀起落架之Von Mises應變量 64 圖3-17 複合材料板狀起落架之y軸變形量 65 圖3-18 複合材料板狀起落架之最大正向應力值 66 圖3-19 複合材料板狀起落架之Von Mises應力值 66 圖3-20 複合材料板狀起落架之最大正向應變量 66 圖3-21 複合材料板狀起落架之Von Mises應變量 67 圖3-22 複合材料圓管狀起落架之y軸變形量 67 圖3-23 複合材料圓管狀起落架之最大正向應力值 68 圖3-24 複合材料圓管狀起落架之Von Mises應力值 68 圖3-25 複合材料圓管狀起落架之最大正向應變量 68 圖3-26 複合材料圓管狀起落架之Von Mises應變量 69 圖3-27 平板切線連接之樣本模型示意圖 71 圖3-28 鋁合金樣本模型之疲勞模擬與文獻數據曲線比較 72 圖3-29 不同循環負載之示意圖 75 圖3-30 鋁合金6061-T6板狀起落架之交互應力值 76 圖3-31 鋁合金6061-T6板狀起落架之疲勞壽命值 76 圖3-32 鋁合金6061-T6圓管狀起落架之交互應力值 77 圖3-33 鋁合金6061-T6圓管狀起落架之疲勞壽命值 77 圖3-34 複合材料板狀起落架之交互應力值 78 圖3-35 複合材料板狀起落架之疲勞壽命值 78 圖3-36 複合材料圓管狀起落架之交互應力值 79 圖3-37 複合材料圓管狀起落架之疲勞壽命值 79 圖3-38 材料於拉伸疲勞試驗之結果 83 圖3-39 材料於壓縮疲勞試驗之結果 83 圖3-40 材料於拉伸疲勞與壓縮疲勞試驗之結果比較 84 圖3-41 材料於完全循環疲勞試驗之結果 84 圖3-42 軸向彈性係數對起落架應變量之影響 86 圖3-43 軸向彈性係數對起落架y軸變形量之影響 87 圖3-44 側向彈性係數對起落架應變量之影響 88 圖3-45 側向彈性係數對起落架y軸變形量之影響 88 圖3-46 剪力模數對起落架應變量之影響 89 圖3-47 剪力模數對起落架y軸變形量之影響 90 表目錄 表1-1 各種材料使用於F-22之百分比 7 表2-1 鋁合金與碳纖維複合材料之比較 26 表3-1 板狀起落架與圓管狀起落架之元素與節點 59 表3-2 鋁合金與複合材料之材料參數 60 表3-3 起落架於靜態負載分析之結果 70 表3-4 本研究之平板狀樣本模型與尺寸 72 表3-5 起落架於疲勞壽命分析之結果 80[[note]]學號: 601430159, 學年度: 10