張友坡　凌和鋒

摘要：文章通過Excel軟件內(nèi)置的計(jì)算函數(shù)和強(qiáng)大的VBA語言編程功能，編制了艙門框梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度自動(dòng)化計(jì)算程序，具有完成多工況、多截面的批量處理能力，實(shí)現(xiàn)了該類構(gòu)件強(qiáng)度的自動(dòng)計(jì)算，在設(shè)定目標(biāo)的前提下還可以對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有效減輕結(jié)構(gòu)重量。

關(guān)鍵詞：Excel；VBA；框梁結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度計(jì)算；批量處理

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

1 問題提出

在飛機(jī)艙門結(jié)構(gòu)中，框梁類的零件是主要的承力構(gòu)件。若設(shè)計(jì)太弱，飛機(jī)在高空飛行時(shí)，可能發(fā)生艙門的意外打開，將造成壓力艙泄壓，同時(shí)，嚴(yán)重影響飛行姿態(tài)，改變氣動(dòng)特性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成飛機(jī)墜落解體；若設(shè)計(jì)過強(qiáng)，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)增重，影響飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。在艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，必須對每一個(gè)零件、每一處計(jì)算截面進(jìn)行大量的強(qiáng)度計(jì)算，驗(yàn)證是否滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)，還要按照重量最輕、效率最高的原則確定最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。另外，按照飛機(jī)艙門設(shè)計(jì)要求，大概需要計(jì)算100多種載荷工況。由此可見，其計(jì)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(jìn)行常見的表格操作，還具備功能強(qiáng)大的各類函數(shù)。但是其缺點(diǎn)是，每一步都要人工操作和控制，對重復(fù)性的工作，每次都要重復(fù)去做。Excel VBA是微軟開發(fā)出來在其Excel應(yīng)用程序中執(zhí)行通用的自動(dòng)化（OLE）任務(wù)的編程語言，能夠?qū)⒅貜?fù)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(kuò)展Excel的功能，使常用的過程或者進(jìn)程自動(dòng)化，創(chuàng)建自定義的解決方案。本文就是利用了這些特點(diǎn)編制了艙門框梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度自動(dòng)化計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)了多載荷工況、多計(jì)算截面的自動(dòng)化計(jì)算，可以準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)每一部位的受力大小，從而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既保證了安全性，又減輕了不必要的重量。

2 艙門框梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

按照飛機(jī)艙門設(shè)計(jì)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(jī)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(cè)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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)編號、坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)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(xué)性能數(shù)據(jù)，主要包括彈性模量、拉伸極限強(qiáng)度、拉伸屈服強(qiáng)度、壓縮屈服強(qiáng)度、剪切極限強(qiáng)度、擠壓極限強(qiáng)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(jì)算截面的相關(guān)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(jì)算出在計(jì)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(xiàn)[1]中給出的具體計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算了。

3 自動(dòng)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

3.1 程序概述

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

3.2 表間數(shù)據(jù)傳遞

Excel計(jì)算功能的實(shí)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(biāo)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(gè)公式中使用同一個(gè)單元格的數(shù)值。還可以引用同一個(gè)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(jī)地聯(lián)系在一起，改變一個(gè)參數(shù)，所有相關(guān)引用都會(huì)跟隨改變，從而完成一輪新的計(jì)算。

3.3 計(jì)算過程說明

3.3.1 所有的計(jì)算都在主計(jì)算程序工作表中完成，主要有3個(gè)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(jì)算區(qū)以及失效模式計(jì)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(diǎn)坐標(biāo)工作表讀取載荷和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。2區(qū)與1區(qū)用引用的方式傳遞數(shù)據(jù)，計(jì)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(jì)算準(zhǔn)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(shí)鏈接材料數(shù)據(jù)工作表，讀取材料的力學(xué)性能，按照文獻(xiàn)[1]中規(guī)定的計(jì)算公式，使用數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，列出每個(gè)截面的安全裕度。如果需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，則只需將安全裕度設(shè)為目標(biāo)值，把想要優(yōu)化的參數(shù)設(shè)為可變單元格即可實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 艙門結(jié)構(gòu)載荷工況很多，強(qiáng)度計(jì)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(jìn)行二次開發(fā)，在一輪計(jì)算完成以后，自動(dòng)把所有的安全裕度輸出到計(jì)算結(jié)果工作表中，與載荷工況一一對應(yīng)。然后把下一輪需要計(jì)算的載荷工況的載荷拷貝到與主計(jì)算程序?qū)?yīng)鏈接關(guān)系的數(shù)據(jù)區(qū)域中以供新一輪讀取和計(jì)算，以此類推。在所有的載荷工況都計(jì)算完畢后，在計(jì)算結(jié)果工作表中每一列都對應(yīng)著一種載荷工況及相應(yīng)的安全裕度。當(dāng)然，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，也可以通過輸入或選擇載荷工況編號，進(jìn)行個(gè)別工況的強(qiáng)度計(jì)算，這一切都可以通過編程實(shí)現(xiàn)。

3.3.3 在本計(jì)算程序中，有些參數(shù)的計(jì)算需要使用迭代逼近法，而Excel中沒有相應(yīng)的數(shù)學(xué)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(jì)算需要查各種經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)曲線，這一點(diǎn)無法通過軟件直接實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問題，在編制失效模式計(jì)算函數(shù)前，通過第三方軟件對用到的所有圖表進(jìn)行了曲線擬合，得出了曲線的數(shù)學(xué)方程，然后把這些數(shù)學(xué)方程編入到程序中，實(shí)現(xiàn)了單元格的自動(dòng)調(diào)用。

（4）對外接口程序。本程序中的載荷數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)是通過Excel中的“錄制宏”建立鏈接，然后修改相應(yīng)的控制代碼來實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)語

通過使用Excel的函數(shù)和編程功能，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)艙門框梁結(jié)構(gòu)大批量自動(dòng)化強(qiáng)度計(jì)算，提高了強(qiáng)度計(jì)算效率，為設(shè)計(jì)工作節(jié)省了大量時(shí)間。此項(xiàng)技術(shù)對于需要大量重復(fù)計(jì)算的數(shù)據(jù)處理具有很強(qiáng)的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》總編委.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊（第9冊）“載荷、強(qiáng)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(jī)艙門結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013.

[3] 李曉清.利用Excel實(shí)現(xiàn)三通強(qiáng)度自動(dòng)計(jì)算[J].電力建設(shè)，2006.

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