基于Excel的飛機艙門結構強度自動化計算技術

張友坡　凌和鋒

摘要：文章通過Excel軟件內(nèi)置的計算函數(shù)和強大的VBA語言編程功能，編制了艙門框梁結構強度自動化計算程序，具有完成多工況、多截面的批量處理能力，實現(xiàn)了該類構件強度的自動計算，在設定目標的前提下還可以對設計參數(shù)進行優(yōu)化，有效減輕結構重量。

關鍵詞：Excel；VBA；框梁結構；強度計算；批量處理

中圖分類號：TM273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0011-02

1 問題提出

在飛機艙門結構中，框梁類的零件是主要的承力構件。若設計太弱，飛機在高空飛行時，可能發(fā)生艙門的意外打開，將造成壓力艙泄壓，同時，嚴重影響飛行姿態(tài)，改變氣動特性，嚴重時還會造成飛機墜落解體；若設計過強，則會導致結構增重，影響飛機的經(jīng)濟性。在艙門結構設計階段，必須對每一個零件、每一處計算截面進行大量的強度計算，驗證是否滿足強度要求。同時，還要按照重量最輕、效率最高的原則確定最優(yōu)化的結構設計參數(shù)。另外，按照飛機艙門設計要求，大概需要計算100多種載荷工況。由此可見，其計算工作量是非常巨大的。

微軟公司提供的辦公軟件Excel簡單易用、操作靈活，不僅可以進行常見的表格操作，還具備功能強大的各類函數(shù)。但是其缺點是，每一步都要人工操作和控制，對重復性的工作，每次都要重復去做。Excel VBA是微軟開發(fā)出來在其Excel應用程序中執(zhí)行通用的自動化（OLE）任務的編程語言，能夠將重復的工作編寫成程序。通過二次開發(fā)，可以有效地自定義和擴展Excel的功能，使常用的過程或者進程自動化，創(chuàng)建自定義的解決方案。本文就是利用了這些特點編制了艙門框梁結構強度自動化計算程序，實現(xiàn)了多載荷工況、多計算截面的自動化計算，可以準確分析結構每一部位的受力大小，從而對結構進行優(yōu)化設計，既保證了安全性，又減輕了不必要的重量。

2 艙門框梁結構強度計算

按照飛機艙門設計要求，艙門中的框類零件主要承受蒙皮傳來的剪力，也可以承受彎矩，并將載荷傳遞到橫梁上；而梁類零件主要承受彎曲載荷，并通過擋塊將載荷傳遞到機身上。因此，對于框梁類零件的緣條，其失效模式為拉伸破壞、壓縮破壞、局部失穩(wěn)、釘間屈曲、壓損和側向穩(wěn)定性。對于腹板，由于其主要承剪，因此其失效模式為剪切失穩(wěn)。

根據(jù)上述受力特點和失效模式可知，需要輸入的數(shù)據(jù)主要有三類，分別為幾何數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)。幾何數(shù)據(jù)為框和梁的截面數(shù)據(jù)，包括截面形狀（“C”型、“工”型或“J”型）和高度、緣條寬度和厚度、腹板的寬度和厚度、腹板開口的直徑、開口周圍加強彎邊的高度和厚度以及蒙皮的厚度和凸臺的厚度等。載荷數(shù)據(jù)為節(jié)點編號、坐標、節(jié)點力、腹板剪切力流等。材料數(shù)據(jù)包括不同尺寸、不同熱處理狀態(tài)下的材料的力學性能數(shù)據(jù)，主要包括彈性模量、拉伸極限強度、拉伸屈服強度、壓縮屈服強度、剪切極限強度、擠壓極限強度、泊松比和Ramberg-Osgood系數(shù)等。根據(jù)輸入的幾何數(shù)據(jù)可以求出計算截面的相關屬性，包括慣性矩、主慣性軸、抗彎模量等。用載荷數(shù)據(jù)可以計算出在計算截面上的載荷分布，包括緣條受到的軸向力、腹板受到的剪切力等。

完成了上述輸入數(shù)據(jù)后，就可以按照文獻[1]中給出的具體計算方法進行強度計算了。

3 自動計算的實現(xiàn)

3.1 程序概述

本計算程序主要包括5個模塊，分別為載荷（節(jié)點力和剪力流2個工作表）、節(jié)點坐標、材料數(shù)據(jù)、主計算程序、計算結果（14個工作表），其中前三者作為主計算程序的輸入，計算結果作為主計算程序的輸出。此外還有一些計算方法說明、版次及更改記錄、載荷工況列表、輸出結果匯總等輔助工作表。

3.2 表間數(shù)據(jù)傳遞

Excel計算功能的實現(xiàn)主要依賴單元格間的數(shù)據(jù)引用，引用的作用在于標識工作表上的單元格或單元格區(qū)域，并指明公式中所使用的數(shù)據(jù)的位置。通過引用，可以在公式中使用工作表不同部分的數(shù)據(jù)或者在多個公式中使用同一個單元格的數(shù)值。還可以引用同一個工作簿中不同工作表上的單元格和其他工作簿中的數(shù)據(jù)。引用不同工作簿中的單元格稱為鏈接。在所有的單元格中建立引用與鏈接，這樣一來，所有的數(shù)據(jù)都有機地聯(lián)系在一起，改變一個參數(shù)，所有相關引用都會跟隨改變，從而完成一輪新的計算。

3.3 計算過程說明

3.3.1 所有的計算都在主計算程序工作表中完成，主要有3個功能區(qū)，分別為數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)、截面屬性和載荷分配計算區(qū)以及失效模式計算區(qū)，簡稱1、2、3區(qū)。在1區(qū)手工輸入幾何數(shù)據(jù)，通過鏈接從載荷工作表，節(jié)點坐標工作表讀取載荷和節(jié)點坐標數(shù)據(jù)。2區(qū)與1區(qū)用引用的方式傳遞數(shù)據(jù)，計算截面屬性和截面處的上下緣條以及腹板所受載荷大小，為3區(qū)的計算準備輸入數(shù)據(jù)。3區(qū)引用2區(qū)的截面屬性和載荷，同時鏈接材料數(shù)據(jù)工作表，讀取材料的力學性能，按照文獻[1]中規(guī)定的計算公式，使用數(shù)學函數(shù)進行計算，列出每個截面的安全裕度。如果需要優(yōu)化設計，則只需將安全裕度設為目標值，把想要優(yōu)化的參數(shù)設為可變單元格即可實現(xiàn)。

3.3.2 艙門結構載荷工況很多，強度計算需要涵蓋到所有的載荷工況，因此，必須使用VBA編程語言進行二次開發(fā)，在一輪計算完成以后，自動把所有的安全裕度輸出到計算結果工作表中，與載荷工況一一對應。然后把下一輪需要計算的載荷工況的載荷拷貝到與主計算程序對應鏈接關系的數(shù)據(jù)區(qū)域中以供新一輪讀取和計算，以此類推。在所有的載荷工況都計算完畢后，在計算結果工作表中每一列都對應著一種載荷工況及相應的安全裕度。當然，為了節(jié)省計算時間，也可以通過輸入或選擇載荷工況編號，進行個別工況的強度計算，這一切都可以通過編程實現(xiàn)。

3.3.3 在本計算程序中，有些參數(shù)的計算需要使用迭代逼近法，而Excel中沒有相應的數(shù)學函數(shù)可以使用，因此，使用VBA語言編寫了適用的迭代程序，以函數(shù)的方式被單元格引用。另外，還有一些具體的失效計算需要查各種經(jīng)驗或試驗曲線，這一點無法通過軟件直接實現(xiàn)。為了解決這個問題，在編制失效模式計算函數(shù)前，通過第三方軟件對用到的所有圖表進行了曲線擬合，得出了曲線的數(shù)學方程，然后把這些數(shù)學方程編入到程序中，實現(xiàn)了單元格的自動調(diào)用。

（4）對外接口程序。本程序中的載荷數(shù)據(jù)、節(jié)點坐標數(shù)據(jù)都是外部數(shù)據(jù)，因此需要與有限元軟件的數(shù)據(jù)庫建立鏈接并將數(shù)據(jù)處理成能夠直接讀取的格式，這一點是通過Excel中的“錄制宏”建立鏈接，然后修改相應的控制代碼來實現(xiàn)的。

4 結語

通過使用Excel的函數(shù)和編程功能，實現(xiàn)了飛機艙門框梁結構大批量自動化強度計算，提高了強度計算效率，為設計工作節(jié)省了大量時間。此項技術對于需要大量重復計算的數(shù)據(jù)處理具有很強的借鑒意義。

參考文獻

[1] 《飛機設計手冊》總編委.飛機設計手冊（第9冊）“載荷、強度和剛度”[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2] 張友坡.基于有限元法的飛機艙門結構仿真技術[J].中國高新技術企業(yè)，2013.

[3] 李曉清.利用Excel實現(xiàn)三通強度自動計算[J].電力建設，2006.

[4] Microsoft Office 2003 Excel幫助系統(tǒng)[S].