基于VBA的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)研究

裴金利

摘 要：采用VBA語言，綜合復(fù)合材料設(shè)計流程，規(guī)劃復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)化平臺，通過系統(tǒng)設(shè)計某型飛機(jī)平尾上壁板復(fù)合材料鋪層，驗證了系統(tǒng)的實用性和準(zhǔn)確性，方便了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：VBA；復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)效率，可以顯著地減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高飛機(jī)的性能參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性能，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要約束條件。作為典型的重量敏感性結(jié)構(gòu)，使用復(fù)合材料能夠獲得很高的成本效應(yīng)。由于復(fù)合材料鋪層的可設(shè)計性使得在元件級別都可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性，因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的變量增多，初步設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計階段的迭代次數(shù)和參數(shù)調(diào)節(jié)都變多，迫切需要高效率計算工具實現(xiàn)在短時間內(nèi)高效率地實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計算。

Visual Basic for Applications（VBA）是一種Visual Basic的一種宏語言，主要能用來擴(kuò)展Windows的應(yīng)用程式功能，特別是Microsoft Office軟件。VBA語言設(shè)計簡單，可以比較方便的操作Excel等office工具，并結(jié)合Excel本身的功能，可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，高效率準(zhǔn)確地完成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計算。

1 系統(tǒng)的功能

由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計變量眾多，在初步設(shè)計階段需要對鋪層等參數(shù)進(jìn)行反復(fù)迭代從而得到最優(yōu)的設(shè)計。

要完成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算，需要綜合多方面的數(shù)據(jù)輸入，包括復(fù)合材料的材料性能，結(jié)構(gòu)參數(shù)和有限元計算參數(shù)。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的并行化設(shè)計提高設(shè)計效率，采用模塊化設(shè)計，采用模塊化設(shè)計的主要優(yōu)點有：

（1）提高設(shè)計效率，節(jié)省開發(fā)時間；（2）可以完成不同模塊之間的相互獨立調(diào)試，確保模塊的準(zhǔn)確性；（3）接口便于模塊之間的參數(shù)傳輸，可以實現(xiàn)在不同設(shè)計階段的應(yīng)用；（4）方便的增加模塊從而提升系統(tǒng)功能。

系統(tǒng)的主要功能包括五個模塊，模塊之間既相互獨立又互相聯(lián)系，見圖1。材料數(shù)據(jù)庫是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，建立完備的材料數(shù)據(jù)庫并保持其正確性和完整性至關(guān)重要，為此采用Microsoft SQL Server建立數(shù)據(jù)庫，復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)見圖2。

2 系統(tǒng)的設(shè)計界面

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)完成從初步設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計階段強(qiáng)度計算。系統(tǒng)的主界面見圖3，主界面的主要功能為：

（1）初始化鋪層：將結(jié)構(gòu)部分的所有部位鋪層初始化，初始化需保證復(fù)合材料鋪層的對稱與均衡；（2）初始化MS：根據(jù)有限元計算結(jié)果，在初始化鋪層基礎(chǔ)上增加0/90/45/-45鋪層，使各個部位鋪層滿足有限元計算結(jié)果；（3）Smooth鋪層：為了防止結(jié)構(gòu)鋪層變化過大從而形成剛度不匹配情況，改善局部區(qū)域的鋪層層數(shù)，使結(jié)構(gòu)鋪層均勻順滑；（4）Balance鋪層：為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)鋪層的對稱均勻，對鋪層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；（5）Check鋪層：根據(jù)結(jié)構(gòu)屈曲約束條件對設(shè)計鋪層進(jìn)行校核，對于不滿足屈曲的部位進(jìn)行加強(qiáng)；（6）Update鋪層：采用新鋪層和有限元計算數(shù)據(jù)重新計算各部位的裕度，對于結(jié)構(gòu)中裕度較大的部位適當(dāng)減少鋪層以達(dá)到減重的目的。

以復(fù)合材料某型飛機(jī)垂尾上壁板為例，設(shè)計復(fù)合材料鋪層和各部位的裕度分別見圖3和圖4。

3 結(jié)束語

采用VBA語言設(shè)計復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算，并以平尾上壁板為例驗證系統(tǒng)的實用性和準(zhǔn)確性，為系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]沈觀林，胡更開.復(fù)合材料力學(xué)[M].清華大學(xué)出版社，1996.

[2]馬維峰.Excel VBA應(yīng)用開發(fā)從基礎(chǔ)到實踐[M].電子工業(yè)出版社，2006.