1. 飛 機 結 構 學 簡 介 Introduction to Aircraft Structures
江 達 雲
國 立 成 功 大 學
航 空 太 空 工 程 學 系

2. 課 程 大 綱 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
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

3. 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.

4. 飛機組件及功能

5. Orville Wright, 1903

6. 1910年代之飛機結構

7. 1980年代之飛機結構

8. 2010 概念機

9. 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

10. 結 構 部 門 ※ 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,”)

11. 飛 機 發 展 程 序 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
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

12. 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

13. 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。

14. 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 ...

15. 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

16. 負 荷 分 類 動態 、 靜態 、 熱力 (thermal) 支承：限制自由度之束制 反力：束制所引制之負荷
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

17. 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. =

18. (i=x,y,z) 靜 定 與 超 靜 定 靜平衡方程式 靜定性 (Statical Determinnancy)
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

19. 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

20. 3. 材料行為 及 疲勞分析 材料曲線特性 材料試驗 拉力試驗： 楊氏模數 Et 、降伏點 、抗拉強度 比例極限、 降伏點 、 極限強度
壓力試驗： 楊氏模數 Ec 、降伏點 、抗壓強度
剪力試驗： 薄壁圓管受扭矩，剪力模數

22. 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

23. 疲 勞 現 象 (Fatigue) 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：
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：

24. 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

25. 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

26. 廣義虎克定律 (等向性材料)
諧合方程式 (Compatibility Equations)
平衡方程式

27. 應 力 分 析
力與應力
正應力與剪應力

28. 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，
※ 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

29. 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)

30. 有限元素分析模型

31. 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：

32. 3. 應力 - 應變關係：
4. 應力 - 結點力關係：

33. 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。

34. 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

35. 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)

36. 蜂巢狀結構

37. 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

38. 波音飛機 複合材料組件

39. 全複合材料概念機

40. 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。

41. Thanks for Your Attention ~