經濟部所屬事業機構 102 年新進職員甄試試題

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飛機結構學、複合材料力學 第 1 頁,共 4 頁 【請翻頁繼續作答】

經濟部所屬事業機構 102 年新進職員甄試試題

類 別: 航 空 結 構 節 次 : 第 三 節

科 目: 1 . 飛 機 結 構 學 2 . 複 合 材 料 力 學

1.本試題共 4 頁(A3 紙 1 張)。

2.可使用本甄試簡章規定之電子計算器。

3.本試題分 6 大題,每題配分於題目後標明,共 100 分。須用藍、黑色鋼筆或原子筆在答 案卷指定範圍內作答,不提供額外之答案卷,作答時須詳列解答過程,於本試題或其他 紙張作答者不予計分。

4.本試題採雙面印刷,請注意正、背面試題。

5.考試結束前離場者,試題須隨答案卷繳回,俟該節考試結束後,始得至原試場索取。

6.考試時間:120 分鐘。

一、【圖 1】為代表引擎、結構設計、重量、空氣動力、噪音減量、製造及飛行控制等 7 個專 業單位在本位主義考量下,可能提出的飛機概念構想圖,例如 (b)為飛行控制,(g)為噪音 減量;請研判及寫出其餘各圖與其專業單位之對應組合。(15 分)

二、請回答下列有關複合材料問題:

(一)簡述何謂纖維補強複合材料(Fiber Reinforced Composite)。(5 分)

(二)簡述纖維補強複合材料相對於金屬的優點 3 項、缺點 2 項。(5 分)

(三)列舉 5 項纖維補強複合材料的應用產業。(5 分)

(a) (b)

(c)

(g) (d)

(e)

(f)

【圖 1】

(2)

飛機結構學、複合材料力學 第 2 頁,共 4 頁

三、【圖 2】為大平板以單排扣件與數根 L 型加強條搭接,取出加強條間的小平板進行挫曲 (Buckle)分析,假設小平板只承受 x 方向壓力 P,請回答下列問題:

(一)簡述並繪製小平板第一個挫曲變形形狀 。(5 分)

(二)在不改變小平板原始長度與厚度之下,請提供兩種方法以改善挫曲的發生,並簡述其 原因(可用圖形加強解釋)。(6 分)

(三)如果 x 向軸力 P 是張力,請問使用數值分析方法(例如有限元素分析法)是否可以進行 線性挫曲分析?並簡述其原因。(4 分)

四、如【圖 3】所示,纖維補強複合材料薄管結構由±45o編織物纏繞製造而成,編織物單層厚 度為0.254 mm,平均半徑(薄管圓心到薄管管壁厚度中心) r=100 mm ,厚度 t 遠小於平均 半徑( <<1

r

t ),薄管承受 P0 = 0.5 Mpa 的內壓力,邊界條件為 A 端固定,B 端允許沿結構 軸向滑動,考慮係數8 做為抵抗老化影響設計因子,假設薄管結構的材料特性為:

張力破壞強度 σx =σy =94 Mpa

彈性模數(Elastic modulus) Ex =Ey =15000 Mpa 剪力模數(Shear modulus) Gxy =12000 Mpa 蒲松比(Poisson ratio) νxy =νyx =0.6

請計算下列問題:

(一)圖示座標原點的σx、σy、τxy 之應力值(MPa)。(3 分)

(二)薄管結構管壁所需之最小層數(不考慮對稱性)。(5 分)

(三)在最小層數條件下,纖維方向的最大應變值。(以科學符號表示,計算至小數點後第 2 位,以下四捨五入)。(7 分)

x y

【圖2】

t=0.1 in

x y 20 in

10 in P

P

扣件

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飛機結構學、複合材料力學 第 3 頁,共 4 頁 【請翻頁繼續作答】

提示:應力與應變關係式為:

τ σ σ

ν

ν

=

γ ε ε

xy y x

xy y

x xy

y yx x

xy y x

G 0 1 0

E 0 1 E

E 0 E

1

五、一搭接結構如下【圖4】所示,承受外力 P = 200 kN 的力量,其中耳軸寬度 W = 95.2 mm,

外緣半徑R = 47.6 mm ,二個耳軸厚度分別為 t1 = 9.5 mm 及 t2 = 19.0 mm,螺桿直徑 Dp = 19.0 mm,襯套直徑 Db = 31.8 mm,結構材質與材料強度如下:

耳軸材料為鋁合金,抗拉強度(Ultimate tensile strength) Ftu = 550 ×106 N/m2 剪斷強度(Ultimate shear strength) Fsu = 290 ×106 N/m2 降伏承壓強度(Bearing yield strength) Fbry = 660 ×106 N/m2 螺桿材料為合金鋼,抗拉強度 Ftu = 2500 ×106 N/m2

剪斷強度 Fsu = 1300 ×106 N/m2

請計算下列問題:

(一)耳軸(厚 t2)的剪力破壞(Shear tear out)、張力破壞(Tension failure)、降伏承壓破壞(Bearing yield failure)等三項的安全裕度(M.S.= Margin of safety,計算至小數點後第 2 位,以下四 捨五入)。(12 分)

(二)螺桿的剪力破壞、張力破壞等二項的安全裕度(計算至小數點後第 2 位,以下四捨五入)

。(8 分)

提示:(a)需考慮安全系數(Safety factor) 1.5。

(b)考慮搭接系數(Fitting factor) 1.15。

(c)耳軸有效剪力破壞斷面長度如上【圖 5】所示。

(d)忽略其他影響係數。

t2

P

P

P/2 P/2 t1

W

Dp

Db

t1

襯套(bushing)

螺桿 耳軸(Lug)

R

【圖 4】 【圖5】

θ

θ

= R r sin rcos x 2 2 2

x R r

40o P

t t

r

【圖3】

A 端 B 端

(4)

飛機結構學、複合材料力學 第 4 頁,共 4 頁

六、【圖6】為矩形板承受負載 q(x,y)與幾何尺寸關係圖,矩形板邊長分別為 a = 450 mm、b = 300 mm,板材料為準均向性複合材料層板(Quasi-Isotropic Laminate),z 方向變形(W)與板厚

度(t;單位是 mm)的關係為 )

b ( y sin a ) ( x t sin

) 100 y , x (

W = 3 × 2 π × 2 π mm,假設準均向性複合材 料層板(Quasi-Isotropic Laminate)材料常數為:

彈性模數(Elastic modulus) E11 = E22 = E = 70×109 N/m2 蒲松比(Poisson ratio) ν12 = ν21 = ν = 0.33

破壞應力強度Ftu = 240 ×106 N/m2 請回答下述問題:

(一)依 W(x,y)關係式計算並判斷板四周是哪一種邊界條件。(6 分)

(二)以板平面中心為應力檢查點,計算不發生材料破壞條件的最小板厚度(計算至小數點後 2 位,以下四捨五入)。(14 分)

提示:(a)彎曲力矩與變形的關係式為

=

xy 2 W

y xW

W

D 0 0

0 D D

0 D D

M M M

2 2 2

2 2

33 22 12

12 11

xy y x

為簡化計算、假設

) 1 ( 12 D Et D

D 2

3 33

22

11= = = ν D12=ν12D22

(b)三角函數:2sin2θ =1cos2θ (c)函數微分 θ θ

θ y y y

d

d (sin )= cos

θ θ

θ y y y

d

d (cos )= sin

a

b t 負載 q(x,y)

x y (0, 0)

x z

【圖6】

數據

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參考文獻

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