超輕鎂合金用於無人駕駛飛行載具之研究

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黃柏強(Bo-chiang Huang) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

超輕鎂合金用於無人駕駛飛行載具之研究
(The Study of Super-Light Magnesium AlloyUse to Unmanned Aerial Vehicles)

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摘要(中)

本研究室近年來致力於超輕鎂合金(如LAZ1110)的研究，歸納出其具有質量輕、比強度高及加工成型性佳等優點，適合被運用於航太工業中，因此，本論文選擇航太領域中金屬材料尚未被廣泛使用的無人駕駛飛行載具(Unmanned Aerial Vehicles, UAV)做為運用目標，將其部分結構以超輕鎂合金取代，並結合國外汽車工業已發展、國內尚未萌芽的快塑成型(Quick Plastic Forming, QPF)製程來製作機身幾何形狀較複雜的部位。
本論文部分章節將對超輕鎂合金的材料特性及快塑成型技術的學理做探討、嘗試設計與規劃取代之結構如何與其他零件做接合，並在設計與規劃完成後針對利用超輕鎂合金取代的成品做一些初步的評估，分析其可行性。

摘要(英)

Super-Light magnesium alloy (ex:LAZ1110) have some advantages for aeronautics, for example, it’s lower specific weight, better formability, and high specific strength, but it is not used extensively now. Thus, we want to popularize its use in aerospace industry, we choose Unmanned Aerial Vehicles (UAV) to take as our applicable target, because metallic materials are poor using in this field. Our method is to replace the some original parts by Super-Light magnesium alloy, and combine with the technique that be successfully used in US automotive industry but not develop in domestic, called Quick Plastic Forming (QPF).
This thesis’s some chapters will be mention material characteristics of Super-Light magnesium alloy, and the theory of Quick Plastic Forming technique, and try to design how to join between the structure that made from Super-Light magnesium alloy and other parts. As accomplished the design, we will make some simple estimates to decide this proposal’s feasibility.

關鍵字(中)

★ 無人駕駛飛行載具
★ 超輕鎂合金

關鍵字(英)

★ Unmanned Aerial Vehicles
★ Super-Light Magnesium Alloy

論文目次

目錄
頁數
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
摘要 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅵ
圖目錄 Ⅶ
第一章前言 1
1-1 背景特性 1
1-2 研究動機及方法 2
第二章 UAV文獻回顧 6
2-1 UAV的發展歷史 6
2-1-1 UAV在軍事上的發展 9
2-1-2 UAV在民生與學術上的發展 12
2-1-1 UAV在國內的發展 14
2-2 UAV常使用的材料 17
2-3 鎂合金在航太工業上的運用 21
第三章鎂鋰合金(LAZ1110)材料性質探討 23
3-1 LAZ1110的物理性質 23
3-2 添加元素對LAZ1110的影響 23
3-3 LAZ1110的機械性質 26
3-4 LAZ1110的金相組織 30
第四章快塑成型學理探討及其應用 36
4-1 快塑成型的起源與發展 36
4-2 QPF與SPF的相同相異處 39
4-2-1 變形機制 39
4-2-2 破壞機制 47
4-2-3 製程環境 51
4-3 鎂鋰合金(LAZ1110)用於QPF製程的可行性分析 55
4-3-1 金相評估 55
4-3-2 製程評估 55
第五章 QPF製程及超輕鎂合金運用於UAV之設計與規劃 57
5-1 設計之原由 57
5-2 設計方式 58
5-3 飛機設計的流程 59
5-4 原機身、機翼之製程與QPF製程比較 62
5-5 機身設計 65
5-6 主翼設計 67
5-7 垂直、水平尾翼設計與製作 71
5-8 機身與各部零件的接合方法 77
5-8-1 馬達與機身的接合 77
5-8-2 前起落架(鼻輪)與機身的接合 80
5-8-3 後起落架與機身的接合 81
5-8-4 連動鋼絲的配置 84
5-8-5 垂直尾翼與機身的接合 86
5-8-6 水平尾翼與機身的接合 88
5-8-7 主翼與機身的接合 90
5-8-8 兩半部機身的接合 94
5-8-9 所有零件及結構的配置 96
5-9 重量估算 98
5-10 主翼彎力矩及變形量的探討 100
5-11 重心位置的估算 106
第六章結論 111
參考文獻 113
表目錄
頁數
表1-1 航太工業上常用的材料及其特性 4
表2-1 無人飛行載具(UAV)應用領域 8
表3-1 LAZ1110合金之原材及經軋延試片之常溫機械性質 27
表3-2 固溶後LAZ1110合金之原材及經軋延試片之常溫機械 28
表4-1 金屬超塑性的發展 38
表5-1 各種零件及結構的重量與數量 99
圖目錄
頁數
圖1-1 2006-2015年全球UAV市場分析 2
圖1-2 利用QPF用於鎂合金AZ31來製作Cadillac STS 之零件Decklid 5
圖2-1 世界上第一架無人飛行載具“Sperry’s Aerial Torpedo” 7
圖2-2 無人飛行載具的發展歷程 8
圖2-3 RQ-1 Predators執行任務時的空拍圖 11
圖2-4 無人戰鬥空中載具(UCAV)“X-45” 11
圖2-5、2-6 利用UAV空拍台東市地貌及鹽寮福隆的海岸線 12
圖2-7 飛行中的無人飛機“Helios” 13
圖2-8 “Aerosonde” 13
圖2-9 RMRL實驗室歷年來所發展的無人飛行載具 16
圖2-10 天隼二型 16
圖2-11 中翔二號 17
圖2-12 造物啟蒙一號 18
圖2-13 Arie l UAV 18
圖2-14 SP-X.6 19
圖2-15 Ant-Planes 1 and 2 19
圖2-16 Ant-Planes 3-1 20
圖2-17 Ant-Planes 4-1 20
圖2-18 B36中使用鎂合金之結構(斜線部) 22
圖3-1 鎂鋰二元合金之平衡圖 25
圖3-2 鋁—鎂相圖 26
圖3-3 各種晶格結構的滑移系統 29
圖3-4a LAZ1110經過90%滾軋後材料的變化(上) 28
圖3-4b AZ91經過30%滾軋後材料的變化(下) 28
圖3-5 LAZ1110合金擠製原材之金相顯微組織 32
圖3-6 LAZ1110合金擠製後固溶之金相顯微組織 32
圖3-7 LAZ1110固溶後軋延30%之金相圖 33
圖3-8 LAZ1110固溶後軋延60%之金相圖 33
圖3-9 LAZ1110固溶後軋延90%之金相圖 34
圖3-10 LAZ1110先固溶再經30%軋延後退火250℃×30mins 34
圖3-11 LAZ1110先固溶再經60%軋延後退火250℃×30mins 35
圖4-1 利用SPF製程所製作的航太零件 37
圖4-2a 後車箱行李蓋(decklids) 38
圖4-2b 五門車掀背式後門(liftgates) 38
圖4-3 QPF製程目前最新的使用為製作汽車車門 39
圖4-4 典型的流變應力對應變速率的sigmoidal圖 46
圖4-5 模擬晶粒運動圖 46
圖4-6 在不同的應變速率下，材料的破斷情狀比較 49
圖4-7a GBS變形至破斷後空孔的形狀與分佈 50
圖4-7b SDC變形至破斷後空孔的形狀與分佈 50
圖4-8 SPF所使用的模具示意圖 53
圖4-9 SPF的成型示意圖 53
圖4-10 QPF的模具示意圖 54
圖4-11 QPF的製程示意圖 54
圖4-12a 本實驗室利用鈦合金Ti-6Al-4V及超塑性成性的製程所吹製的金屬容器 56
圖4-12b 本實驗室利用鎂合金AZ31及超塑性成性的製程所吹製的手機外殼 56
圖5-1 西斯納(CESSNA 400) 59
圖5-2 西斯納( CESSNA 400 )拆解圖及各部分編號 60
圖5-3 飛機各部位結構名稱 61
圖5-4 典型的吹模機 63
圖5-5 QPF製程設備 64
圖5-6 QPF製作流程示意圖 64
圖5-7 機身尺寸圖 66
圖5-8 機身成品示意圖 65
圖5-9 主翼的尺寸及幾何形狀示意圖 69
圖5-10 上、下翼面鑽孔位置示意圖 68
圖5-11 主翼裝配步驟示意圖 70
圖5-12 垂直尾翼尺寸示意圖 72
圖5-13 水平尾翼尺寸示意圖 72
圖5-14 冷滾軋機 73
圖5-15 將滾軋後的鈑片裁成所需之形狀並註明鑽孔位置 73
圖5-16 利用鑽孔機在已標註的位置鑽孔 74
圖5-17 在特定位置及周圍黏上螺帽與泡棉膠帶(垂直尾翼) 74
圖5-18 在特定位置及周圍黏上螺帽與泡棉膠帶(水平尾翼) 75
圖5-19 垂直尾翼完成圖 75
圖5-20 水平尾翼完成圖 76
圖5-21 馬達、支撐架尺寸示意圖及機身須加工之位置圖 79
圖5-22 馬達與機身接合之步 78
圖5-23 前起落架(鼻輪)及接合零件尺寸示意圖 80
圖5-24 前起落架(鼻輪)與機身接合之步驟 81
圖5-25 後起落架與結合件之尺寸示意圖 82
圖5-26 後起落架與機身接合之步驟 83
圖5-27 前、後起落架與機身接合示意圖 82
圖5-28 連動鋼絲尺寸及夾持器示意圖 84
圖5-29 連動鋼絲配置步驟示意圖 85
圖5-30 垂直尾翼左右翼面示意圖 86
圖5-31 機身與垂直尾翼接合處鑽孔位置示意圖 87
圖5-32 機身與垂直尾翼接合步骤示意圖 88
圖5-33 機身與水平尾翼接合處鑽孔位置示意圖 89
圖5-34 機身與水平尾翼接合步骤示意圖 90
圖5-35 機身與主翼接合前所須鑽孔的位置 91
圖5-36 主翼與機身接合前所須鑽孔的位置 92
圖5-37 機身與主翼接合所使用的零件尺寸示意圖 91
圖5-38 主翼與機身接合步驟示意圖 93
圖5-39 機身須鑽孔位置與結合零件之尺寸示意圖 94
圖5-40 機身接合步驟示意圖 95
圖5-41 各種零件與結構的配置圖 97
圖5-42 全機完成圖 96
圖5-43 主翼彎曲力矩的分佈 100
圖5-44 主翼受力分佈示意圖 102
圖5-45 主翼面積慣性矩之求法及受力示意圖 106
圖5-46 垂直尾翼重心求法示意圖 109
圖5-47 各類飛機的重心位置與水平尾翼容積大小關係圖 110
圖6-1 利用超輕鎂合金製作機身骨架 112

參考文獻

參考文獻
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指導教授

李雄(Shyong Lee)

審核日期

2009-7-1

推文