按一下以編輯母片標題樣式,,按一下以編輯母片,,第二層,,第三層,,第四層,,第五層,,*,*,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,1,,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,,,,2,,1.,,飛,,機,,結,,構,,簡,,介,Engineering Structures,: (,purpose & function),,,Bridges, Buildings, Aircrafts, ...,,,,Aircraft,:,machine supported for flight by,dynamic,action of air,,,First,controllable,human flight: Orville Wright, 1903,,distance: 120 ft ; duration: 20 sec,,,,大學課程目標,,:,,※ Provide fundamental concepts in analysis and design of,,aircraft,,structures.,,※ Develop analytical tools for prediction and assessment of,,structural behavior.,3,,飛機組件及功能,,4,,Orville Wright, 1903,,5,,1910,年代之飛機結構,,6,,1980,年代之飛機結構,,7,,2010 概念機,,,8,,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, Structures, 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,9,,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 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 Vehicle Structures,”),10,,,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,11,,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,,(Crashworthiness),,8.,維修及製造簡易性,12,,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13,,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,...,14,,2.,結,構靜力分析,,結構分類,：,,,◎,離散,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,15,,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,,(,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,16,,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. =,17,,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,3,個束制反力元素,,,2),無外部或內部之,幾何,不穩定,18,,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,19,,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,E,t,,、降伏點 、抗拉強度,,壓力試驗： 楊氏模數,E,c,,、降伏點 、抗壓強度,,剪力試驗： 薄壁圓管受扭矩，剪力模數,,20,,,21,,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,22,,疲,,勞,,現,,象,,(Fatigue),,由於循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,：,,,23,,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,24,,4.,彈性力學 及 應力分析,應,,力,,(stress),：正,,(normal),,應力、剪,,(shear),,應力,,,應,,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,25,,廣義虎克定律,,(,等向性材料,),,,,,,,,諧合方程式,,(Compatibility Equations),,,平衡方程式,26,,應 力 分 析,力與應力,,,,,,,正應力與剪應力,,,,27,,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,28,,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),29,,有限元素分析模型,,30,,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,：,,,31,,3.,應力,-,應變關係,：,,,,,,4.,應力,-,結點力關係,：,,32,,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33,,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-outs),：造成應力反應增加，需加勁補強,34,,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),,,35,,蜂巢狀結構,,,36,,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,,,,,37,,波音飛機 複合材料組件,,,38,,,全複合材料概念機,,39,,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40,,,Thanks for Your Attention ~,41,,。
