[[alternative]]The influence of composite materials failure mode on light aircraft crashworthiness simulation

碩士[[abstract]]近年來航空業的蓬勃發展提供了交通上相當大的便利，但在無法避免飛安事故發生的情況下，其安全性也逐漸受到重視。如何保障機上乘客的安全性，一直都是航空業重大的議題。然而複合材料在航空界的應用逐漸取代了傳統的金屬材料，但複合材料和金屬材料的材料特性有許多的差異，無法以傳統金屬材料的經驗來評估複合材料飛機結構的安全性，因此複合材料飛機結構的安全性是相當重要的研究方向。 本文使用Pro/ENGINEER建立STOL CH 701機身結構，材料選為碳纖維複合材料(CFRP)。模擬分析使用Abaqus/Damage for Fiber-Reinforced Composites以考慮複合材料受衝擊後材料可能產生失效的方式進行分析。模擬之邊界條件為依據ASTM規範的1.3Vso墜撞速度與AGATE所訂定的30o墜撞角度，Abaqus/Explicit建立動態墜撞模擬以墜撞能量的輸出做為結果合理性判斷的依據。 本研究根據MIL-STD-1290A所規定的座艙壓縮量在各方向的壓縮量不得超過15%的安全標準下，建立考慮材料失效參數前後的速度與角度之關係圖。在考慮材料失效與在不考慮材料失效時，不同的撞擊角度與撞擊速度下，0o纖維排列大部分有較高的內能吸收。不同纖維排列方式機身的Y方向的壓縮率都相較於X方向與A斜樑方向為小，其最大壓縮率都不超過2%。在考慮材料失效下，撞擊角度60o時，0o纖維排列的X方向與A斜樑方向壓縮率明顯較高，其值將近高達5%。不管是內能吸收、最大應力或是各方向壓縮率，在考慮材料失效前後並沒有明顯的差異。[[abstract]]In recent years, the rapid development of the aviation industry to provide a considerable convenience on the traffic, but cannot avoid the case of flying accidents. However, metal materials be replaced by composite materials because of the advantages of composite materials, but the material properties of composite materials and metal materials have many differences, cannot according to the experience of traditional metal materials to evaluate the safety of composite aircraft structure. So it is an important issue to discuss the crashworthiness of composite aircraft. In this study we use Pro/ENGINEER to build STOL CH 701 model and the materials used is carbon fiber composite material. The simulation analysis used the Abaqus / Damage for Fiber-Reinforced Composites to consider the possible failure of the composite material after impact. The boundary conditions are 1.3 Vso followed by ASTM, and 30o impact angle defined by AGATE. In the dynamic simulation, we output the data to check if the simulation is follow the conservation of energy to determine the rationality of the results. In this study the relationship between the velocity and the angle before and after considering the material failure parameters was established according to the safety standard, MIL-STD-1290A, of the cockpit reducing rate cannot more than 15%. In considering the material failure and without considering the material failure in the different impact angles and impact velocities, most of the 0o composite fiber has a higher internal energy absorption. The compression of the cabin in the Y direction is smaller than the X direction and the A direction, and the maximum reducing rate does not exceed 2%. In considering the material failure and the impact angle of 60o, the compression of 0o composite fiber in the X direction and A direction is significantly higher, and the maximum reducing rate as high as 5%. No matter the internal energy absorption, the maximum stress or the amount of compression in each direction, before and after considering the material failure doesn’t has significant difference.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 目錄 III 圖目錄 V 表目錄 X 第一章、緒論 1 1.1前言 1 1.2飛安事故 2 1.3適墜性的定義及設計基本原則 6 1.4金屬與複合材料應用於航空工業 9 1.4.1金屬材料應用於航空領域 9 1.4.2複合材料應用於航空的趨勢 10 1.4.3複合材料應用於航空器上的優缺點 15 1.5研究目的與方法 16 第二章、文獻回顧 18 2.1輕型載具的相關定義與法規 18 2.1.1 美國對於輕型載具的定義 18 2.1.2 歐洲對於輕型載具的定義 19 2.1.3 加拿大對於輕型載具的定義 20 2.1.4 我國對於輕型載具的定義 21 2.2適墜性分析的邊界條件 23 2.3材料破壞因素 26 2.4複合材料的破壞 29 2.5 Abaqus複合材料失效理論 32 第三章、基礎理論 35 3.1 Abaqus簡介 35 3.2 Abaqus/Explicit 38 3.3 Abaqus單位 40 3.4 Abaqus Energy 41 3.5 Abaqus複合材料失效設定 43 3.5.1 Abaqus複合材料損傷初始 44 3.5.2 Abaqus複合材料損傷演化 46 第四章、模擬分析 50 4.1 研究流程 50 4.2 STOL CH 701的飛機參數與介紹 52 4.3材料參數的設定 54 4.4邊界條件的設定 56 4.5網格的建立 57 4.6實驗模型設計 58 4.7複合材料機身適墜性之動態模擬 61 4.8比較碳纖維機身固定角度、改變速度之在考慮材料失效與在不考慮材料失效的差異 74 4.9比較碳纖維機身固定速度、改變角度之在考慮材料失效與在不考慮材料失效的差異 100 4.10 Abaqus後處理損傷探討 118 第五章、結論與建議 119 參考資料 122 圖目錄 圖 1-1 2001到2010每十萬小時的失事件數 2 圖 1-2大型民航機複合材料使用率 11 圖 1-3複合材料在Airbus的應用發展 11 圖 1-4複合材料在A380上的應用 12 圖 1-5波音787複合材料的應用 13 圖 1-6複合材料在A350上的應用 14 圖 1-7複合材料在輕航機上的使用率 14 圖 1-8本研究總流程圖 17 圖 2-1通勤飛機事故統計 24 圖 2-2 AGATE定義之速度及角度衝擊條件 25 圖 2-3 AGATE定義的墜撞姿態條件 25 圖 2-4油船發生裂紋脆性斷裂 26 圖 2-5韌性和脆性材料的應力應變圖 28 圖 2-6材料潛變的階段圖 29 圖 2-7複合材料的基體裂紋 31 圖 2-8複合材料的脫層 31 圖 2-9複合材料的纖維斷裂 31 圖 3-1 Abaqus軟體架構 35 圖 3-2 Abaqus運作流程 37 圖 3-3 Abaqus複合材料失效參數設定 44 圖 3-4 Abaqus材料失效損傷演化圖 47 圖 3-5材料失效後之位移變化圖 48 圖 4-1分析模擬流程圖 51 圖 4-2 STOL CH 701三視圖 52 圖 4-3 CH701之機身模型 53 圖 4-4 Abaqus網格化之CH701機身 57 圖 4-5機身以30o向下墜撞示意圖 59 圖 4-6機身以0o纖維排列之示意圖 59 圖 4-7機身以45o纖維排列之示意圖 60 圖 4-8機身以90o纖維排列之示意圖 60 圖 4-9 0o纖維排列碳纖維機身在不考慮材料失效下以30o墜撞地面之能量變化圖 61 圖 4-10 30o纖維排列碳纖維機身在不考慮材料失效下以30o墜撞地面之能量變化圖 62 圖 4-11 45o纖維排列碳纖維機身在不考慮材料失效下以30o墜撞地面之能量變化圖 62 圖 4-12 60o纖維排列碳纖維機身在不考慮材料失效下以30o墜撞地面之能量變化圖 63 圖 4-13 90o纖維排列碳纖維機身在不考慮材料失效下以30o墜撞地面之能量變化圖 63 圖 4-14 CH701機身及座艙之X、Y與A方向之示意圖 64 圖 4-15不同纖維方向碳纖維機身在不考慮材料失效下撞擊之內能(18 m/s與30o) 65 圖 4-16不同纖維方向碳纖維機身在不考慮材料失效下撞擊之最大應力(18 m/s與30o) 65 圖 4-17碳纖維機身的主要最大應力發生部位 66 圖 4-18不同纖維方向碳纖維機身在不考慮材料失效下撞擊之各方向壓縮率(18 m/s與30o) 67 圖 4-19 0o纖維排列碳纖維機身在考慮材料失效下以30o墜撞地面之能量變化圖 68 圖 4-20 30o纖維排列碳纖維機身在考慮材料失效下以30o墜撞地面之能量變化圖 68 圖 4-21 45o纖維排列碳纖維機身在考慮材料失效下以30o墜撞地面之能量變化圖 69 圖 4-22 600纖維排列碳纖維機身在考慮材料失效下以30o墜撞地面之能量變化圖 69 圖 4-23 90o纖維排列碳纖維機身在考慮材料失效下以30o墜撞地面之能量變化圖 70 圖 4-24不同纖維方向碳纖維機身在考慮材料失效下撞擊之內能(18 m/s與30o) 71 圖 4-25不同纖維方向碳纖維機身在考慮材料失效下撞擊之最大應力(18 m/s與30o) 72 圖 4-26 90o纖維排列碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞最大應力位置圖 72 圖 4-27不同纖維方向碳纖維機身在考慮材料失效下撞擊之各方向壓縮率(18 m/s與30o) 73 圖 4-28碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之內能比較圖(18 m/s與30o) 74 圖 4-29碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之最大應力圖(18 m/s與30o) 75 圖 4-30碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之X壓縮率比較圖(18 m/s與30o) 75 圖 4-31碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之A壓縮率比較圖(18 m/s與30o) 76 圖 4-32碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之Y壓縮率比較圖(18 m/s與30o) 76 圖 4-33碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之平均壓縮率比較圖(18 m/s與30o) 77 圖 4-34碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之內能比較圖(27 m/s與30o) 79 圖 4-35碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之最大應力比較圖(27 m/s與30o) 79 圖 4-36碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之X壓縮率比較圖(27 m/s與30o) 80 圖 4-37碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之A壓縮率比較圖(27 m/s與30o) 80 圖 4-38碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之Y壓縮率比較圖(27 m/s與30o) 81 圖 4-39碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之平均壓縮率比較圖(27 m/s與30o) 81 圖 4-40碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之內能比較圖(36 m/s與30o) 83 圖 4-41碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之最大應力比較圖(36 m/s與30o) 84 圖 4-42碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之X壓縮率比較圖(36 m/s與30o) 84 圖 4-43碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之A壓縮率比較圖(36 m/s與30o) 85 圖 4-44碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之Y壓縮率比較圖(36 m/s與30o) 85 圖 4-45碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之平均壓縮率比較圖(36 m/s與30o) 86 圖 4-46碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之內能比較圖(45 m/s與30o) 88 圖 4-47碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之最大應力比較圖(45 m/s與30o) 88 圖 4-48碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之X壓縮率比較圖(45 m/s與30o) 89 圖 4-49碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之A壓縮率比較圖(45 m/s與30o) 89 圖 4-50碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之Y壓縮率比較圖(45 m/s與30o) 89 圖 4-51碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之平均壓縮率比較圖(45 m/s與30o) 90 圖 4-52碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞速度與內能之關係圖 91 圖 4-53碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞速度與內能之關係圖 92 圖 4-54碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞速度與最大應力之關係圖 93 圖 4-55碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞速度與最大應力之關係圖 9 圖 4-56碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞速度與X壓縮率之關係圖 94 圖 4-57碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞速度與X壓縮率之關係圖 95 圖 4-58碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞速度與A壓縮率之關係圖 96 圖 4-59碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞速度與A壓縮率之關係圖 96 圖 4-60碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞速度與Y壓縮率之關係圖 97 圖 4-61碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞速度與Y壓縮率之關係圖 98 圖 4-62碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞速度與平均壓縮率之關係圖 99 圖 4-63碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞速度與平均壓縮率之關係圖 99 圖 4-64碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之內能變化比較圖(18 m/s與45o) 102 圖 4-65碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之最大應力比較圖(18 m/s與45o) 102 圖 4-66碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之X壓縮率比較圖(18 m/s與45o) 103 圖 4-67碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之A壓縮率比較圖(18 m/s與45o) 103 圖 4-68碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之Y壓縮率比較圖(18 m/s與45o) 104 圖 4-69碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之平均壓縮率比較圖(18 m/s與45o) 104 圖 4-70碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之內能變化比較圖(18 m/s與60o) 106 圖 4-71碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之最大應力比較圖(18 m/s與60o) 107 圖 4-72碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之X壓縮率比較圖(18 m/s與60o) 107 圖 4-73碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之A壓縮率比較圖(18 m/s與60o) 108 圖 4-74碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之Y壓縮率比較圖(18 m/s與60o) 108 圖 4-75碳纖維機身在考慮材料失效與在不考慮材料失效之平均壓縮率比較圖(18 m/s與60o) 109 圖 4-76碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞角度與內能之關係圖 110 圖 4-77碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞角度與內能之關係圖 110 圖 4-78碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞角度與最大應力之關係圖 111 圖 4-79碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞角度與最大應力之關係圖 111 圖 4-80碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞角度與X壓縮率之關係圖 112 圖 4-81碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞角度與X壓縮率之關係圖 113 圖 4-82碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞角度與A壓縮率之關係圖 114 圖 4-83碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞角度與A壓縮率之關係圖 114 圖 4-84碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞角度與Y壓縮率之關係圖 115 圖 4-85碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞角度與Y壓縮率之關係圖 116 圖 4-86碳纖維機身在不考慮材料失效下墜撞角度與平均壓縮率之關係圖 116 圖 4-87碳纖維機身在考慮材料失效下墜撞角度與平均壓縮率之關係圖 117 表目錄 表 1-1 2005年到2015年我國輕航機事故統計 3 表 1-2 2005到2015我國輕航機數據統計 5 表 2-1 FAR、EASA與LAMAC對於小型飛機的法規 22 表 3-1 Abaqus單位對照表 40 表 4-1 STOL CH 701的規格 53 表 4-2 T300/LTM45 CFRP性質 54 表 4-3 T300/LTM45碳纖維複合材料在Abaqus內失效設定相關參數 55 表 4-4墜撞角度與速度之參數 56 表 4-5碳纖維機身在不考慮材料失效以18 m/s速度30o方向撞擊 64 表 4-6 碳纖維機身在考慮材料失效下以18m/s速度30o方向撞擊 71 表 4-7 碳纖維機身在未考慮材料失效下以27 m/s速度30o方向撞擊 78 表 4-8 碳纖維機身在考慮材料失效下以27 m/s速度30o方向撞擊 78 表 4-9 碳纖維機身在不考慮材料失效下以36 m/s速度30o方向撞擊 82 表 4-10 碳纖維機身在考慮材料失效下以36 m/s速度30o方向撞擊 83 表 4-11 碳纖維機身在不考慮材料失效下以45 m/s速度30o方向撞擊 87 表 4-12 碳纖維機身在考慮材料失效下以45 m/s速度30o方向撞擊 87 表 4-13 碳纖維機身在不考慮材料失效下以18 m/s速度45o方向撞擊 100 表 4-14 碳纖維機身在不考慮材料失效下以18 m/s速度45o方向撞擊 101 表 4-15碳纖維機身在不考慮材料失效以18m/s速度60o方向撞擊 105 表 4-16碳纖維機身在考慮材料失效下以18m/s速度60o方向撞擊 105 表 4-17在不同撞擊速度與角度下的損傷標準整理 118[[note]]學號: 605430155, 學年度: 10