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輕航機之外型與結構最佳化分析

為了解決永康水電材料行的問題，作者林姿伶 這樣論述：

隨著航空產業的蓬勃發展，不僅軍用飛機或大型民航客機越來越普遍，輕型飛行載具的市場也日趨成熟，在輕航機逐漸成為民眾的一種休閒活動，但飛行事故卻頻傳的情況下，如何在飛行效率及飛航安全中達到平衡，就顯得非常重要。本研究應用有限元素軟體ANSYS對輕航機進行外型與結構耦合的最佳化，期望在達到最佳氣動力外型的同時，仍可以符合適墜性的最低安全標準。本研究使用Zenith公司的STOL CH701作為研究模型，以Pro/Engineer建立3D機身模型，機身結構以鋁合金作為材料，利用ANSYS中的Fluent進行流場分析後，再以Adjoint Solver完成外型最佳化；接著使用Static Struct

ural進行結構模擬分析，再匯入Topology Optimization模組中，完成拓樸最佳化。本研究利用流場分析與墜撞模擬來比較原始模型與改良後模型的阻力值、座艙變形量與應變能的差異，探討其安全性的改變及效益是否提升。本研究之外型最佳化以最小阻力值為目標函數、機身外型為設計範圍，並以比例因子來調整外型變化程度；結構最佳化則以最小結構順從度為目標函數、座艙側板為設計範圍以及重量移除率為限制條件進行設定。邊界條件之撞擊速度設定以符合AGATE及ASTMF2245-11 4.4.4.1所規定的撞擊速度18 m/s以及CH701最大巡航速度38 m/s為基準；並以美國軍用法規MIL-STD-129

0A規範之15%座艙壓縮量為適墜性安全標準。經過外型以及結構最佳化後，選擇在任何撞擊速度下，皆符合座艙壓縮量15%安全規範的模型。並以撞擊速度為18 m/s說明最佳化前後各項數據的改變：機身外型阻力值下降3.43%、結構重量下降14.44%，而應變能則增加53.21%，吸收能量能力提高。本研究結合外型與結構最佳化，使輕航機在機身外型與結構墜撞上都獲得改善，在達到最佳氣動力的同時，仍有符合適墜性的最低安全標準。