1、1江江 達(dá)達(dá) 雲(yún)雲(yún)國(guó)國(guó) 立立 成成 功功 大大 學(xué)學(xué)航航 空空 太太 空空 工工 程程 學(xué)學(xué) 系系 飛飛 機(jī)機(jī) 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 學(xué)學(xué) 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介 Introduction to Aircraft Structures2課課 程程 大大 綱綱 1. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 2. 結(jié)構(gòu)靜力分析 3. 材料行為 及 疲勞分析 4. 彈性力學(xué) 及 應(yīng)力分析 5. 有限元素法簡(jiǎn)介 6. 半硬殼式結(jié)構(gòu)分析 7. 複合材料簡(jiǎn)介 31.1. 飛飛 機(jī)機(jī) 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介 Engineering Structures: (purpose & function) Bridges, Buildings, Aircrafts

2、, . 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(xué)課程目標(biāo)大學(xué)課程目標(biāo) : Provide fundamental concepts in analysis and design of aircraft structures. Develop analytical tools for prediction and assessm

3、ent of structural behavior.4飛機(jī)組件及功能飛機(jī)組件及功能 5Orville Wright, 190361910年代之飛機(jī)結(jié)構(gòu)年代之飛機(jī)結(jié)構(gòu)71980年代之飛機(jī)結(jié)構(gòu)年代之飛機(jī)結(jié)構(gòu)82010 概念機(jī)9飛機(jī)公司之工程部門架構(gòu)飛機(jī)公司之工程部門架構(gòu)Engineering Division Sections Specialized Groups 1. Preliminary Design Section 2. Technical Analysis Section Aerodynamics, Structures, Materials, Control, . 3. Compon

4、ent Design Section Structure (wing, body), System (mechanical/electrical) 4. Laboratory Test Section Wind tunnel, Structure, Propulsion, Electronics, . 5. Flight Test Section 6. Field Service Section10結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 部部 門門 工作工作 提供結(jié)構(gòu)之應(yīng)力及變形資料 確保結(jié)構(gòu)整體之經(jīng)濟(jì)安全性分分 組組 1) Applied Loads Calculation Group (aerodynamic, in

5、ertia, 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,”)11 飛飛 機(jī)機(jī) 發(fā)發(fā) 展展 程

6、程 序序 市場(chǎng)建立 需求定義 (尺寸、性能、成本) 初步設(shè)計(jì) (準(zhǔn)則、概念) 細(xì)部設(shè)計(jì) (含分析、試驗(yàn)) 製 造 測(cè)試驗(yàn)證 (功能及性能) 營(yíng) 運(yùn)12飛飛 機(jī)機(jī) 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 考考 量量 1. 成本及重量 (Cost and Weight) 2. 靜力強(qiáng)度 (Static Strength) 3. 耐久性 (Durability) 4. 耐損傷性 (Damage Tolerance) 5. 耐振顫及振動(dòng)性 (Flutter and Vibration) 6. 耐腐蝕性 (Corrosion Resistance) 7. 耐毀損性 (Crashworthiness) 8. 維修及製造簡(jiǎn)

7、易性13結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 概概 念念1) 飛具結(jié)構(gòu)的有效性隨著重量增加而銳減。2) 結(jié)構(gòu)終將破壞；工程師的職責(zé)在於儘可能延遲破壞的發(fā)生。3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一反覆的迭代程序；最佳設(shè)計(jì)。4) 理論分析的優(yōu)點(diǎn)在於無(wú)需成品而能預(yù)測(cè)破壞；其缺點(diǎn)則在於理論必含有假設(shè)與近似。 14連連 體體 力力 學(xué)學(xué) 分分 類類流體力學(xué)流體力學(xué)固體力學(xué)：固體力學(xué)： 以行為區(qū)分：以行為區(qū)分：材料力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、 黏彈性力學(xué)、破壞力學(xué) . 以對(duì)象區(qū)分：以對(duì)象區(qū)分：結(jié)構(gòu)力學(xué)、土壤力學(xué)、巖石力學(xué) . 結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)： 靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、板殼分析、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定學(xué) 複合材料力學(xué)、有限元素法 .152. 結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)構(gòu)靜力

8、分析 結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)分類： 離散 vs.連續(xù) 線性 vs.非線性 靜定 vs.超靜定 穩(wěn)定 vs.不穩(wěn)定 結(jié)構(gòu)元件結(jié)構(gòu)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(jié)合Membrane、Shear Panel 及抗彎曲之效應(yīng) 16負(fù)負(fù) 荷荷 分分 類類 表面力 (分佈、集中) 、 徹體力 (如慣性力) 動(dòng)態(tài) 、

9、 靜態(tài) 、 熱力 (thermal) 內(nèi)負(fù)荷內(nèi)負(fù)荷 (結(jié)構(gòu)抗力) 軸力、剪力、彎矩、扭矩 (和外力平衡) 支承及反力支承及反力 支承：限制自由度之束制 反力：束制所引制之負(fù)荷 支承型態(tài)： Hinge、Roller、 Fixed、Fixed-roller 17設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 負(fù)負(fù) 荷荷 Limit (Applied) load： 結(jié)構(gòu)可能遭遇之最大負(fù)荷 Ultimate (Design) load： limit load 乘上安全係數(shù) (F.S.) F.S. = 飛機(jī)結(jié)構(gòu)飛彈結(jié)構(gòu) 51251 25111.18靜靜 定定 與與 超超 靜靜 定定靜平衡方程式靜平衡方程式 (i=x,y,z)靜定性靜定性

10、(Statical Determinnancy) 若結(jié)構(gòu)之內(nèi)力及反力均能由平衡方程式求得 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 (Stability) 1) 至少需3個(gè)束制反力元素 2) 無(wú)外部或內(nèi)部之幾何不穩(wěn)定0iM0iF19結(jié)構(gòu)材料選擇準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)材料選擇準(zhǔn)則1. 強(qiáng)度與勁度 2. 溫度與潛變3. 疲勞與腐蝕 4. 重量與成本203. 3. 材料行為材料行為 及及 疲勞分析疲勞分析 材料曲線特性材料曲線特性 比例極限、 降伏點(diǎn) 、 極限強(qiáng)度 材料試驗(yàn)材料試驗(yàn) 拉力試驗(yàn)： 楊氏模數(shù) Et 、降伏點(diǎn) 、抗拉強(qiáng)度 壓力試驗(yàn)： 楊氏模數(shù) Ec 、降伏點(diǎn) 、抗壓強(qiáng)度 剪力試驗(yàn)： 薄壁圓管受扭矩，剪力模數(shù) 21 22結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)

11、破破 壞壞 形形 式式 1) 應(yīng)力值超過(guò)強(qiáng)度 (Brittle)2) 變形超過(guò)容許值 (Ductile)3) 挫曲(不穩(wěn)定)破壞 4) 疲勞(循環(huán)荷載)破壞23疲疲 勞勞 現(xiàn)現(xiàn) 象象 (Fatigue) 由於循環(huán)應(yīng)力所引致微裂縫的產(chǎn)生及傳佈 疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn) 定振幅循環(huán)應(yīng)力反覆作用，求得破壞循環(huán)數(shù) N 材料材料 S-N S-N 曲線曲線： b, c 為材料常數(shù) Palmgren-Miner 線性損傷累積假說(shuō)線性損傷累積假說(shuō)： 1 iiiNncSNb 24結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 優(yōu)優(yōu) 化化1) 選擇強(qiáng)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(cǎi)用夾層構(gòu)造 (Sandwich Cons

12、truction) 面板 + 低密度心材，抗振性及絕緣性佳3) 適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)以確保 Damage Tolerance 及 Fail Safe 造成高度靜不定254. 4. 彈性力學(xué)彈性力學(xué) 及及 應(yīng)力分析應(yīng)力分析應(yīng)應(yīng) 力力 (stress)：正 (normal) 應(yīng)力、剪 (shear) 應(yīng)力應(yīng)應(yīng) 變變 (strain)：正應(yīng)變(長(zhǎng)度變化) 剪應(yīng)變(角度變化)應(yīng)變應(yīng)變 - - 位移關(guān)係位移關(guān)係應(yīng)力應(yīng)力 - - 應(yīng)變關(guān)係應(yīng)變關(guān)係 1) Linearly Elastic 2) Nonlinearly Elastic 3) Inelastic 26廣義虎克定律廣義虎克定律 ( (等向性材料等向性材料)

13、)諧合方程式諧合方程式 (Compatibility Equations)平衡方程式平衡方程式000 111111 TGGGEEEEEEEEEyzxzxyzzyyxxyzxzxyzzyyxx27應(yīng)應(yīng) 力力 分分 析析力與應(yīng)力力與應(yīng)力正應(yīng)力與剪應(yīng)力正應(yīng)力與剪應(yīng)力 dAzT,dAzM,dAyM,dAV,dAV,dAPAAAAAAxyxzyxyxzxzzxyyx ) ( yyzzxIzMIyMAP tIQVzzyyxxy 28剪剪 力力 流流 剪力流分析較易，不需決定桿件腹寬 飛具結(jié)構(gòu)常採(cǎi)用曲線腹板，如機(jī)翼蒙皮。 一般分析均假設(shè)腹板不承受彎曲應(yīng)力， 只承受剪力， 剪力中心剪力中心 (Shear Ce

14、nter) 開放型斷面抗扭矩強(qiáng)度低，外力需通過(guò)剪力中心tqxy constq295. 5. 有限元素法簡(jiǎn)介有限元素法簡(jiǎn)介 結(jié)構(gòu)系統(tǒng) = 元素(子結(jié)構(gòu))之組合 有限元素模型： 結(jié)點(diǎn) (Nodes)、 自由度 元素 (Elements)、 邊界條件 元素型式元素型式 1-D：Truss (Rod), Beam 2-D：Membrane, Plate, Shell 3-D：Solid (Brick)30有限元素分析模型有限元素分析模型 31勁度勁度(變位變位)法法 ， 元素勁度矩陣元素勁度矩陣 1. 假設(shè)位移函數(shù)： 2. 應(yīng)變 - 變位關(guān)係： eKK =dKf jxixxdd)x(N),x(Nxcc

15、)x(q2121 jxixxxddL,Lxq1 1 323. 應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)係： 4. 應(yīng)力 - 結(jié)點(diǎn)力關(guān)係：jxixxxddL,LEE1 1 jxixxjxixddLEAAAff 1111 dKfe 33有限元素法施行步驟有限元素法施行步驟： 1. 定義結(jié)點(diǎn)、自由度、及元素型式。 2. 定義形狀函數(shù)以結(jié)點(diǎn)位移描述元素變位場(chǎng)。 3. 由平衡關(guān)係推導(dǎo)元素勁度矩陣 。 4. 組合整體平衡(運(yùn)動(dòng))方程式，並考慮適當(dāng)邊界條 件以求解結(jié)點(diǎn)變位。 5. 計(jì)算元素內(nèi)各點(diǎn)之變位、應(yīng)力等反應(yīng)。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 1. 自動(dòng)化計(jì)算能力強(qiáng)大，能處理多工程領(lǐng)域之問(wèn)題。 2. 適用於結(jié)構(gòu)含複雜之幾何、材料、邊界條件。 3.

16、 能有效處理不同之負(fù)荷情況。346. 半硬殼式結(jié)構(gòu)分析半硬殼式結(jié)構(gòu)分析 Semi-monocoque：Shell + Stiffeners 高度靜不定、開口(cut-outs) 蒙皮 (Skin Sheet)：承受平面內(nèi)剪力及拉力 加勁桿 (Stiffeners)：分佈集中載重、抵抗彎應(yīng)力 如機(jī)身隔艙(Bulkheads)、翼肋樑(Ribs) 開口(cut-outs)：造成應(yīng)力反應(yīng)增加，需加勁補(bǔ)強(qiáng)357. 7. 複合材料簡(jiǎn)介複合材料簡(jiǎn)介Composite Materials Fiber (纖維) + Matrix (基材) Steel + Concrete Glass + Resin Graphite + Metal Kevlar + Ceramics Sandwich construction thin facing pla