机械设计中的EXCEL应用

黄毅

摘要：介绍在机械设计的工程中，用Excel代替查表，计算，校核等功能的应用。结合换热器设计需要查表的相关数据，实例演示给出解决方案。解决了应用VB辅助机械设计中，繁琐的编程和复杂的计算，以及用EXCEL实现简单的建立数据库以及检索功能。

关键词：机械设计；机械制图；EXCEL应用

问题介绍

我国国内机械设计、机械制造行业的自动化程度在近几年有了显著挺高。为了与时俱进，让机械设计工程中的查表和计算实现自动化，应用EXCEL的公式功能，可以轻松实现自动查表。

Excel是微软公司的办公软件Microsoft office的组件之一，是自动化办公中非常重要的一款软件，在日常工作中，EXCEL可以轻松实现制作报表和进行一些简单数据的计算和统计，广泛地应用于管理、统计财经、金融等众多领域。然而巧妙运用EXCEL中的公式，能解决我们工作领域的很多繁琐的数据计算，数据查找等工作，大大提高了工作效率。下面以换热器设计为例，研究探索EXCEL在换热器设计中的应用。

辅助机械设计中EXCEL常用的核心函数

EXCEL内部嵌入了简单的VBA程序，使操作变得更快捷，编码变得更简单。甚至在表格中直接写入公式即可立即显示计算结果。在表格中公式的应用一般是由开头的“=”开始的，等于号之后可以是简单的加减乘除计算。当有些计算无法简单输入或者拥有多个计算参数，更复杂一些的就需要用到“函数调用，例如开平方根就需要用的函数：SQRT（numberl，方差用的是函数VAR（number1，[number2]，…）。在结合机械设计的过程中，一般有以下几个最重要、最常用的函数，

IF函数

IF函数是Excel中最常用的函数之一，它可以对值和期待值进行逻辑比较。IF函数最简单的形式表示：

如果（判定内容是否为真，为真则执行某些操作，否则就执行其他操作）

举例：“=IF（C2=1，“是”，”否”）如果“C2”格子中的数字等于1，就显示“是”，否则就显示“否”。

在机械设计中，if也是最常用的，多个if嵌套可以对指定数据进行分类别检索。例如《热交换器GB/T151-2014》（以下简称《GB/T151》）中折流板管孔允许偏差：

管孔的直径函数就可以直接写成：=if（and（d<=32，L>900），d+0.4，d+0.7）

注：其中“and”函数是一个逻辑函数，判定测试中是否所有条件都为“真”。相当于中文字的“且”。以及“or”相当于中文里的“或”。

Index函数

INDEX函数可用于返回表格或区域中的指定行列值或值的引用。函数形式：

INDEX（array，row_num，[column_nilm]）

在机械设计应用中，常用于查找指定行列的值。只要我们告诉电脑在一个区域里，低几行，第几列，他就可以帮助我们完成查表。

Match函数

使用MATCH函数可在“范围单元格”中搜索特定的项，然后返回该项在此区域中的相对位置。例如，如果AI：A3区域中包含值5、25和38，那么公式=MATCH（25，A1：A3，0）返回数字2，因为25是该区域中的第二项。

这个函数在也是用来查表，可以轻松的让表格自己判断要查找的数据在第一行。

机械设计中EXCEL应用实例，

压力容器式热换热器设计是属于压力容器设计的一个分支，其设计要求比其他压力容器略复杂，它具有占地面积小，排布经凑，现场安装简单等特点。强制性法规要求，图纸中必须分别给定出以下参数的数值：管板孔桥允许宽度，最小宽度。以及在设计工程中经常需要涉及到偏差的内容。这些数值大部分结合了查图标，然后再更具数据计算得出。

管板孔桥宽度计算公式如下：

允许宽度

最小宽度

其中：

dh——管板管孔直径mm

S——换热管中心间距mm

A1——孔桥偏差mm

——当换热管外径d<16 mm时，△1=2 △2+0.51

——当换热管外径d≥16 mm时，△1=2 △2+0.51

△₂——钻头偏移量，

mm

δ——管板厚度mm

其中管孔直径查“dh”和换热管中心间距S，需要查《GB/T151》中表8-2里的数据，这样传统的工作方式，每次都需要重复着无数这样繁琐的方式：查公式，查表，计算。而且设计过程中有很多这样的地方。我们可以使用EXCEL简化计算，实现一次完成所有的复杂计算。

首先建立数据库

为了减少VBA程序的外部调用送带来的复杂性，我们将所有的数据和计算全部写在同一个EXCEL工作表里。来自标准中不同页面的数据可以归纳在同一个表格里便于计算，下图中是我们EXCEL辅助机械设计的一个数据组，顶部OPQ…是对应列号，左侧123…是对应行号。

计算区域的建立主要分两个部分。第一部分是界面设计，界面的布局这在之后的过程中也可以不断完善，通过多次的调试和改进最后形成了图三中的计算表格面板。可以涵盖很多设计过程中复杂的查表过程。简化热交换器设计过程中的部分工作，并且实现图形的可视化。图三中下半部分的图形比单纯的数据更直观，是结合了AutoCAD和EXCEL的跨平台功能。数据是从图二的数据表获取并加以计算。

编写计算区函数或程序

第二部分是函数的编写，这一部分是实现机械设计自动化、可视化的关键。图三在E4到E7着色区域表示设计条件、基础数据。绿色区域的数值是根据标准自动修正的值。

以前面提到的管板孔桥允许宽度、最小宽度的计算来举例。根据前面列出的管板孔桥允许宽度、最小宽度的计算方法。我们在图二的单元格P3中先计算名义孔桥的值，再在单元格Q3中计算孔桥偏差，最后再在图三K2、K3单元格中计算宽度就可以完成。函数和计算方法如下：

单元格P3：=INDEX（07：R18，MATCH（E5，07：018），4）

单元格Q3：=IF（E5<16，0.082*E4/E5+0.51，0.082*E4/E5+0.76）

单元格KI：允许孔桥=ROUND（P3-Q3，3）

单元格K2：最小宽度=0.6*P3

这样就完成了用EXCEL自动计算“管板允许孔桥宽度”，“管板孔桥最小宽度”两项数值。图中其他部分的数值也是相同的计算方法实现的。

总结

本方法将所有的数据库和操作界面设计在同一张EXCEL，并且减少外部VB的辅助编程，有效的简化了编程的复杂性。减少了EXCEL中链接和数据引用的错误。更能在实际设计中，优化设计步骤。另外，将EXCEL和AutoCAD結合使用，夸平台操作，来实现了机械设计的图形可视化。在换热器设计方面简化了繁琐的工作量，并且把可视化图形设计成便于打印的结构形式，来保证计算结果可输出，可移植。

在工程的实际运用中，应用Excel和AutoCAD相结合处理大批量的图表数据，其优点更为显著，可大大地提高设计人员的工作效率。