0 前言

在机械零件设计中, 经常遇到最费时、费力且又易出错的环节, 应当是零件的设计计算和校核计算及零件工作图的绘制, 其中零件工作图的绘制已被广大设计者应用有关绘图软件(如Auto CAD)来处理, 它较大地提高了绘图的速度和设计质量, 而目前还没有较好的软件来处理零件的设计计算和校核计算, 用编程的方式虽然可以解决某些具体问题, 而通常又过于复杂。因此, 寻找有效手段提高设计计算和校核计算的速度及其准确性, 是机械零件设计中迫切需要解决的重要课题。众所周知, Excel主要是应用于经济统计和财务报表及其数据的计算处理, 但其强大的数据处理功能、图表功能及数据库管理功能也可为机械零件的设计和校核计算提供有力的帮助, 从而减少设计的计算工作量, 提高计算的准确性。利用Excel进行机械零件校核计算的步骤主要有数据准备和新建工作簿并具体计算。

1 Excel 2000在机械零件设计中的应用

以许用应力法校核某转轴强度为例说明。某轴经力学简化后的平面图见图 1。

首先作一些数据准备。如按许用应力法校核轴是否安全的必要条件是:

(1)

式中:[σ-1]_b-是材料在对称循环应力状态下的许用弯曲应力。

由文献[1]可知, [σ-1]_b =86 N/mm², 实际弯曲应力σ_b为:

(2)

式中:W—为弯曲时轴的剖面模量。

由文献[1]可知, W=110 200mm³。

当量弯矩M′为:

(3)

式中:M—为危险截面的合成弯矩;

T—为轴所受扭矩。

应力校正系数α为:

(4)

式中:[σ+1]_b-是材料在静应力状态下的许用弯曲应力。

由文献[1]可知, [σ+1]_b =315 N/mm²。则

(5)

式中:P-为传动功率, 已知P=120 kW;

n-为转速, n =145 r/min。

(6)

式中:M_xy—为水平弯矩;

M_xz—为垂直弯矩。

接着在Excel 2000中新建一工作簿来进行校核计算。具体见表 1。

(1) 将A、D、E列设为“数字格式”, 表示序号、已知数据和计算结果; B、C、F列设为“文字格式”, 表示已知参数及计算参数、参数代号和单位。

(2) 在B1至B32单元格中分别输入各已知参数及计算参数的名称, 在C1至C32和F1至F32各单元格中分别输入对应的符号和单位代号, 在D1至D12及D23、D24、D29单元格分别输入已知数据。

(3) 据弯矩概念在E13单元格输入“ =D6×D11”, 得出M_Ⅰ(xy); 在E14单元格输入“ =D9×D12”, 得出M_Ⅱ(xy); 在E15单元格输入“=E14+D4”, 得M″_Ⅱ(xy); 在E16单元格输入“ = D7×D11”, 得M _Ⅰ(xz); 在E17单元格数入“ =D10×D12”, 得M_Ⅱ(xz); 在E18单元格输入“=E17 +D3”, 得M″ _Ⅱ(xz)。

(4) 据公式⑹在E19单元格输入“ =SQRT(E13^2 +E16^2) ”, 得M_Ⅰ; 在E20单元格输入“SQRT(E14^2 +E17^2) ”, 得M_Ⅱ; 在E21单元格输入“ =SQRT(E15^2 +E18^2) ”, 得M″_Ⅱ。

(5) 据公式⑸在E22单元格输入“ =9550 D1/ D2”, 得出T。

(6) 据公式⑷在E25单元格输入“ =D30/D31”, 得出α。

(7) 据公式⑶在E26单元格中输入“ =SQRT [E19^2 +(E25 ×E22)^2] ”, 得M_Ⅰ′; 在E27单元格输入“ =SQRT [E27^2 + (E25 ×E22)^2] ”, 得M_Ⅱ′。

(8) 由于Ⅱ截面上有两个不同的弯矩值, 则需对其进行比较, 取其中较大的一个作为危险截面的弯矩值, 故在E28单元格输入“ =IF(E20 >E27, “E20”, “E27”) ”。

(9) 在E30单元格输入“ =IF(E26>E28, “E26”, “E28”) ”, 找出危险截面。

(10)据公式⑵在E31单元格输入“ =E30/D29”, 得出σ_b。

(11)据公式⑴在E32单元格输入“ =IF(E31>=D23, “不够安全”, “安全”) ”, 可得出结论。

经过上述步骤, 便完成了所需的对轴的强度校核。其中的力学简化平面图可用以下3种方法之一得到:①先利用AutoCADR14绘出, 然后经复制再粘贴到Word中-②将图在AutoCAD中通过硬拷贝至Window“附件”的“画图”中, 经过剪切后再粘贴到Word中-③在AutoCAD中, 先经Export操作将图存为“.wmf”或“.bmp”格式的文件, 再插入Word中。方法一操作最简便, 方法二操作也比较简单, 但是占内存较大, 方法三操作起来比前两种方法稍复杂, 但它能使图形方便的在Word与AutoCAD中传输。

人们知道一些常用零件的设计计算和校核计算步骤是有一定规律性的, 当在第一次运用Excel2000编制设计计算与校核计算工作簿时, 较手工计算并不显其很大的优越性, 但一经完成并作为文件存储下来, 以后再遇到同类零件的类似计算时, 只要改变其中的一些已知数据, 便可很快地得出正确的计算结果。为此, 可以应用此法对机械设计中的一些常用零件, 如齿轮、轴承、轴等进行设计计算, 来提高设计计算速度和准确性。在机械零件课程设计中, 教师采用此法, 能方便的检查核对学生在设计中计算结果的正误, 从而避免教师的大量的重复计算, 有效的提高工作效率。

2 结语

在机械零件设计中应用Excel的数据处理功能, 可以提高设计的速度和设计质量。只要掌握了Excel的功能, 就可以充分发挥它在机械设计中校核计算的作用, 从而使设计工作达到事半功倍的效果。同样还可以利用Excel的功能, 在机械零件课程设计教学过程中对学生的计算结果进行检查和核对工作。因此, Excel在机械零件设计及其教学中具有广阔的应用前景。