基于Excel的飞机舱门结构强度自动化计算技术

张友坡　凌和锋

摘要：文章通过Excel软件内置的计算函数和强大的VBA语言编程功能，编制了舱门框梁结构强度自动化计算程序，具有完成多工况、多截面的批量处理能力，实现了该类构件强度的自动计算，在设定目标的前提下还可以对设计参数进行优化，有效减轻结构重量。

关键词：Excel；VBA；框梁结构；强度计算；批量处理

中图分类号：TM273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0011-02

1 问题提出

在飞机舱门结构中，框梁类的零件是主要的承力构件。若设计太弱，飞机在高空飞行时，可能发生舱门的意外打开，将造成压力舱泄压，同时，严重影响飞行姿态，改变气动特性，严重时还会造成飞机坠落解体；若设计过强，则会导致结构增重，影响飞机的经济性。在舱门结构设计阶段，必须对每一个零件、每一处计算截面进行大量的强度计算，验证是否满足强度要求。同时，还要按照重量最轻、效率最高的原则确定最优化的结构设计参数。另外，按照飞机舱门设计要求，大概需要计算100多种载荷工况。由此可见，其计算工作量是非常巨大的。

微软公司提供的办公软件Excel简单易用、操作灵活，不仅可以进行常见的表格操作，还具备功能强大的各类函数。但是其缺点是，每一步都要人工操作和控制，对重复性的工作，每次都要重复去做。Excel VBA是微软开发出来在其Excel应用程序中执行通用的自动化（OLE）任务的编程语言，能够将重复的工作编写成程序。通过二次开发，可以有效地自定义和扩展Excel的功能，使常用的过程或者进程自动化，创建自定义的解决方案。本文就是利用了这些特点编制了舱门框梁结构强度自动化计算程序，实现了多载荷工况、多计算截面的自动化计算，可以准确分析结构每一部位的受力大小，从而对结构进行优化设计，既保证了安全性，又减轻了不必要的重量。

2 舱门框梁结构强度计算

按照飞机舱门设计要求，舱门中的框类零件主要承受蒙皮传来的剪力，也可以承受弯矩，并将载荷传递到横梁上；而梁类零件主要承受弯曲载荷，并通过挡块将载荷传递到机身上。因此，对于框梁类零件的缘条，其失效模式为拉伸破坏、压缩破坏、局部失稳、钉间屈曲、压损和侧向稳定性。对于腹板，由于其主要承剪，因此其失效模式为剪切失稳。

根据上述受力特点和失效模式可知，需要输入的数据主要有三类，分别为几何数据、载荷数据、材料数据。几何数据为框和梁的截面数据，包括截面形状（“C”型、“工”型或“J”型）和高度、缘条宽度和厚度、腹板的宽度和厚度、腹板开口的直径、开口周围加强弯边的高度和厚度以及蒙皮的厚度和凸台的厚度等。载荷数据为节点编号、坐标、节点力、腹板剪切力流等。材料数据包括不同尺寸、不同热处理状态下的材料的力学性能数据，主要包括弹性模量、拉伸极限强度、拉伸屈服强度、压缩屈服强度、剪切极限强度、挤压极限强度、泊松比和Ramberg-Osgood系数等。根据输入的几何数据可以求出计算截面的相关属性，包括惯性矩、主惯性轴、抗弯模量等。用载荷数据可以计算出在计算截面上的载荷分布，包括缘条受到的轴向力、腹板受到的剪切力等。

完成了上述输入数据后，就可以按照文献[1]中给出的具体计算方法进行强度计算了。

3 自动计算的实现

3.1 程序概述

本计算程序主要包括5个模块，分别为载荷（节点力和剪力流2个工作表）、节点坐标、材料数据、主计算程序、计算结果（14个工作表），其中前三者作为主计算程序的输入，计算结果作为主计算程序的输出。此外还有一些计算方法说明、版次及更改记录、载荷工况列表、输出结果汇总等辅助工作表。

3.2 表间数据传递

Excel计算功能的实现主要依赖单元格间的数据引用，引用的作用在于标识工作表上的单元格或单元格区域，并指明公式中所使用的数据的位置。通过引用，可以在公式中使用工作表不同部分的数据或者在多个公式中使用同一个单元格的数值。还可以引用同一个工作簿中不同工作表上的单元格和其他工作簿中的数据。引用不同工作簿中的单元格称为链接。在所有的单元格中建立引用与链接，这样一来，所有的数据都有机地联系在一起，改变一个参数，所有相关引用都会跟随改变，从而完成一轮新的计算。

3.3 计算过程说明

3.3.1 所有的计算都在主计算程序工作表中完成，主要有3个功能区，分别为数据输入区、截面属性和载荷分配计算区以及失效模式计算区，简称1、2、3区。在1区手工输入几何数据，通过链接从载荷工作表，节点坐标工作表读取载荷和节点坐标数据。2区与1区用引用的方式传递数据，计算截面属性和截面处的上下缘条以及腹板所受载荷大小，为3区的计算准备输入数据。3区引用2区的截面属性和载荷，同时链接材料数据工作表，读取材料的力学性能，按照文献[1]中规定的计算公式，使用数学函数进行计算，列出每个截面的安全裕度。如果需要优化设计，则只需将安全裕度设为目标值，把想要优化的参数设为可变单元格即可实现。

3.3.2 舱门结构载荷工况很多，强度计算需要涵盖到所有的载荷工况，因此，必须使用VBA编程语言进行二次开发，在一轮计算完成以后，自动把所有的安全裕度输出到计算结果工作表中，与载荷工况一一对应。然后把下一轮需要计算的载荷工况的载荷拷贝到与主计算程序对应链接关系的数据区域中以供新一轮读取和计算，以此类推。在所有的载荷工况都计算完毕后，在计算结果工作表中每一列都对应着一种载荷工况及相应的安全裕度。当然，为了节省计算时间，也可以通过输入或选择载荷工况编号，进行个别工况的强度计算，这一切都可以通过编程实现。

3.3.3 在本计算程序中，有些参数的计算需要使用迭代逼近法，而Excel中没有相应的数学函数可以使用，因此，使用VBA语言编写了适用的迭代程序，以函数的方式被单元格引用。另外，还有一些具体的失效计算需要查各种经验或试验曲线，这一点无法通过软件直接实现。为了解决这个问题，在编制失效模式计算函数前，通过第三方软件对用到的所有图表进行了曲线拟合，得出了曲线的数学方程，然后把这些数学方程编入到程序中，实现了单元格的自动调用。

（4）对外接口程序。本程序中的载荷数据、节点坐标数据都是外部数据，因此需要与有限元软件的数据库建立链接并将数据处理成能够直接读取的格式，这一点是通过Excel中的“录制宏”建立链接，然后修改相应的控制代码来实现的。

4 结语

通过使用Excel的函数和编程功能，实现了飞机舱门框梁结构大批量自动化强度计算，提高了强度计算效率，为设计工作节省了大量时间。此项技术对于需要大量重复计算的数据处理具有很强的借鉴意义。

参考文献

[1] 《飞机设计手册》总编委.飞机设计手册（第9册）“载荷、强度和刚度”[M].北京：航空工业出版社，2002.

[2] 张友坡.基于有限元法的飞机舱门结构仿真技术[J].中国高新技术企业，2013.

[3] 李晓清.利用Excel实现三通强度自动计算[J].电力建设，2006.

[4] Microsoft Office 2003 Excel帮助系统[S].