基于VBA的复合材料结构设计系统研究

裴金利

摘 要：采用VBA语言，综合复合材料设计流程，规划复合材料结构设计的系统化平台，通过系统设计某型飞机平尾上壁板复合材料铺层，验证了系统的实用性和准确性，方便了复合材料结构的设计。

关键词：VBA；复合材料；结构设计

引言

提高飞机结构的结构效率，可以显著地减轻飞机的结构重量，提高飞机的性能参数和经济性能，是飞机结构设计的重要约束条件。作为典型的重量敏感性结构，使用复合材料能够获得很高的成本效应。由于复合材料铺层的可设计性使得在元件级别都可以实现结构的可设计性，因而在结构设计阶段的变量增多，初步设计和详细设计阶段的迭代次数和参数调节都变多，迫切需要高效率计算工具实现在短时间内高效率地实现复合材料结构的强度计算。

Visual Basic for Applications（VBA）是一种Visual Basic的一种宏语言，主要能用来扩展Windows的应用程式功能，特别是Microsoft Office软件。VBA语言设计简单，可以比较方便的操作Excel等office工具，并结合Excel本身的功能，可以方便地实现数据的处理，高效率准确地完成复合材料结构的强度计算。

1 系统的功能

由于复合材料结构设计变量众多，在初步设计阶段需要对铺层等参数进行反复迭代从而得到最优的设计。

要完成复合材料结构强度计算，需要综合多方面的数据输入，包括复合材料的材料性能，结构参数和有限元计算参数。为了实现系统的并行化设计提高设计效率，采用模块化设计，采用模块化设计的主要优点有：

（1）提高设计效率，节省开发时间；（2）可以完成不同模块之间的相互独立调试，确保模块的准确性；（3）接口便于模块之间的参数传输，可以实现在不同设计阶段的应用；（4）方便的增加模块从而提升系统功能。

系统的主要功能包括五个模块，模块之间既相互独立又互相联系，见图1。材料数据库是进行结构设计的基础，建立完备的材料数据库并保持其正确性和完整性至关重要，为此采用Microsoft SQL Server建立数据库，复合材料数据库的结构见图2。

2 系统的设计界面

复合材料结构设计系统完成从初步设计到详细设计阶段强度计算。系统的主界面见图3，主界面的主要功能为：

（1）初始化铺层：将结构部分的所有部位铺层初始化，初始化需保证复合材料铺层的对称与均衡；（2）初始化MS：根据有限元计算结果，在初始化铺层基础上增加0/90/45/-45铺层，使各个部位铺层满足有限元计算结果；（3）Smooth铺层：为了防止结构铺层变化过大从而形成刚度不匹配情况，改善局部区域的铺层层数，使结构铺层均匀顺滑；（4）Balance铺层：为了实现结构铺层的对称均匀，对铺层进行优化设计；（5）Check铺层：根据结构屈曲约束条件对设计铺层进行校核，对于不满足屈曲的部位进行加强；（6）Update铺层：采用新铺层和有限元计算数据重新计算各部位的裕度，对于结构中裕度较大的部位适当减少铺层以达到减重的目的。

以复合材料某型飞机垂尾上壁板为例，设计复合材料铺层和各部位的裕度分别见图3和图4。

3 结束语

采用VBA语言设计复合材料结构设计系统，实现了复合材料结构的初步设计和详细设计阶段的结构强度计算，并以平尾上壁板为例验证系统的实用性和准确性，为系统的进一步应用奠定了基础。

参考文献

[1]沈观林，胡更开.复合材料力学[M].清华大学出版社，1996.

[2]马维峰.Excel VBA应用开发从基础到实践[M].电子工业出版社，2006.