GB 150中锻件和螺柱的应力库编制毕业设计论文.doc

毕业设计（论文）GB 150中锻件和螺柱的应力库编制 毕业实践(论文)任务书一、课题名称 - 钢材中锻件和螺柱性能库编制 二、工作内容 利用EXCEL软件中的常用工程函数用法与编程原理，再利用“曲线专家”软件进行数据拟合，对锻件和螺柱在不同温度下的许用应力进行计算，并建立为应力库，为以后的锻件和螺柱应力的强度计算提供一些算法基础。三、设计任务1、根据GB 150-1998中的锻件和螺柱许用应力的数据用“曲线专家”进行拟合；2、通过CurveExpert曲线拟合软件得出温度与许用应力的关系式；3、在Excel软件中建立起总框架，进行程序编写4、制作出可以作为计算软件的锻件和螺柱应力库；5、所写论文应能完整的表达设计者的设计思想和目的，要求文字简洁、层次清楚；目 录前言3摘要4第一章 锻件和螺柱应力库的设计任务 6第二章 锻件和螺柱应力库程序编制6一、锻件和螺柱应力库设计的思路和步骤 6二、锻件和螺柱应力库设计具体实例 101、数据直接拟合 102、数据分段拟合 113、多度点拟合 164、定点修正拟合 18三、在设计过程中发现的问题 22第三章、设计总结 25附录26参考文献29翻译英文科技文献 30前 言本课题主要介绍了锻件和螺柱在不同温度下的许用应力相应设计计算程序的设计步骤编制。当今社会，工程用设计计算软件的发展远跟不上工程设计的需要，这说明了计算机针对工程技术应用的模拟方面还处初级阶段。分析其原因，主要是由于工程技术逻辑的数值化以及工程图表计算的程序化或数字化存在困难。如果能准确地模拟各类学科中复杂的逻辑与规律，也对充分运用科技生产力，发展全新的教育与培训理念，服务广大学生具有极其重要的战略导向意义。机械设计中允许零件或构件承受的最大应力值。要判定零件或构件受载后的工作应力过高或过低，需要预先确定一个衡量的标准，这个标准就是许用应力。凡是零件或构件中的工作应力不超过许用应力时，这个零件或构件在运转中是安全的，否则就是不安全的。许用应力是机械设计中的基本数据。在实际应用中，许用应力值一般由国家工程主管部门根据安全和经济的原则，按材料的强度、载荷、环境情况、加工质量、计算精确度和零件或构件的重要性等加以规定。许用应力等于考虑各种影响因素后经适当修正的材料的失效应力（静强度设计中用屈服极限或强度极限，疲劳强度设计中用疲劳极限）除以安全系数。考虑到不同的工况条件下许用应力是不一样的，比如使用温度越高，许用应力就越小；所以计算许用应力的过程很复杂，用一般简易的计算工具效率太低。通过本设计就能解决这一问题。本设计书中所介绍的程序均是借助于Excel软件编制完成的。将已知数据、通过拟合得到的公式输入表格中，并加以整理与编制就做成了一个计算工具，使原来要通过查表确定的相关参数再计算才能得出的结果，现在只要输入已知值就可以自动计算出来，这样既省去了查图表计算的时间，又提高了精度，为以后的锻件和螺柱许用应力的计算提供了一种方便可行的方法。由于编者水平有限，时间仓促，本设计中疏忽、不妥甚至错误在所难免，恳切希望老师提出批评、指正。编 者 2010年05月65摘 要许用应力是根据材料试验得出的屈服点应力结合不同应用所需要的安全系数后得出的“允许使用时达到的最大应力”，其跟各方面的使用条件有密切的关联。要判定零件或构件受载后的工作应力过高或过低，需要预先确定一个衡量的标准，这个标准就是许用应力。凡是零件或构件中的工作应力不超过许用应力时，这个零件或构件在运转中是安全的，否则就是不安全的。许用应力是机械设计中的基本数据。在实际应用中，许用应力值一般由国家工程主管部门根据安全和经济的原则，按材料的强度、载荷、环境情况、加工质量、计算精确度和零件或构件的重要性等加以规定。许用应力等于考虑各种影响因素后经适当修正的材料的失效应力（静强度设计中用屈服极限或强度极限，疲劳强度设计中用疲劳极限）除以安全系数。塑性材料（大多数结构钢和铝合金）以屈服极限为基准,除以安全系数后得许用应力;脆性材料（铸铁和高强钢）以强度极限为基准，除以安全系数后得许用应力。塑性材料和脆性材料并没有严格的绝对界限，所以有时很难预先确定许用应力。本课题以国家最新标准中的锻件和螺柱许用应力为准，采用最通用的EXCEL软件并配合CurveExpert曲线拟合软件直接进行二维表格及单值曲线的数据拟合，建立相关图表的模拟函数模型，得出锻件和螺柱许用应力与温度的关系式，达到计算锻件和螺柱许用应力时，直接输入已知条件参数，即可直接算出工程结果。从而为计算锻件和螺柱许用应力提供方便快捷的方法。关键词： 锻件和螺柱 许用应力计算 模拟设计 软件AbstractAllowable stress is based on materials obtained from this experiment combined with different applications yield point stress factor of safety required, obtained a "permit to use the maximum stress," with all aspects of its use are closely related. To determine the parts or components of work stress under load is too high or too low, need to pre-determine a measure of the standard, this standard is the allowable stress. Any parts or components of work stress does not exceed the allowable stress, this component or components in the operation is safe, otherwise, it is unsafe. Allowable stress is the mechanical design of the basic data. In practice, the allowable stress value of the general director of engineering by the state department of safety and economy, according to the strength, load, environmental conditions, processing quality, calculation accuracy and the importance of such parts or components to be provided. Allowable stress is equal to the effect of various factors, with appropriate modification of the material failure stress (static strength design using yield strength or ultimate strength, fatigue strength design using the fatigue limit) divided by the safety factor. Plastic materials (most structural steel and aluminum) to yield limit for the benchmark, divided by the safety factor was allowable stress; brittle materials (cast iron and high strength steel) with intensity limit for the benchmark, divided by the safety factor was allowable stress . Brittle materials, plastic materials and absolutely no strict boundaries, it is sometimes difficult to pre-determine the allowable stress.The subject of the latest standards in the national stud forgings and allowable stress prevail, the most common EXCEL software and curve fitting software with CurveExpert direct two-dimensional forms and single-valued curve fitting the data to establish the relevant simulation chart function model, derived allowable stud forgings and the relation of stress and temperature, to calculate the allowable stress stud forgings and when the conditions are known to directly input parameters, it is straightforward to calculate the project results. Forgings and studs for calculating the allowable stress to provide convenient and efficient way.Keywords: Forgings and stud Allowable stress calculationAnalog Design Software第一章 锻件和螺柱应力库的设计内容自上个世纪以来，现在科学技术和生产的突飞猛进，能源、信息、空间技术的发展，在全球经济日趋一体化的大背景下，面对信息化的社会大生产环境，更高更快的完成计算任务是起到举足轻重的作用。本设计依据计算设计信息工程化的趋势，借助大家熟知的Excel电子表格等软件，研究计算机进行设计计算技术，为将来在企业中高效开展设计技术工作进行探索与技术积累做好准备。课题性质本身决定了本项目的任务是以软件设计为主编制计算程序。根据GB 150-1998钢制压力容器中的锻件和螺柱许用应力的作为依据求解复杂的数据规律并配合CurveExpert曲线拟合软件直接进行二维表格及单值曲线的数据拟合。还可以在人工干预下，定点修正通过多次拟合，来提高单调性减小误差。本课题给出了一些设计实例，结合两种软件各自的特点，将该软件作为方便的工程规律求解软件使用，利用Excel计算能力的特点，直接为工程计算提供方法。在使用过程中注意误差的大小。如：在整个拟合过程中要选择精度最高的关系式模型，使计算结果误差不得超过2%。第二章 锻件和螺柱应力库程序编制一、锻件和螺柱应力库设计的思路和步骤（1）、设计思路由于影响锻件和螺柱许用应力的因素较多，查表计算比较复杂，一直以来工程设计人员通常作一些忽略次要因素的处理来简化计算。随着材料行业的发展，对材料许用应力的高效计算需求不断提高。钢制材料作为锻件和螺柱的主要材料，其许用应力繁琐的计算不断得到人们的重视。所以寻求快捷的计算途径是人们不断探索的目标，所以本着这一目的设计了这一课题设计。（2）、设计步骤首先，建立课题设计的总框架并放入Excel中，如图1-1所示，B3设计选材需要建立下拉按钮如图1-2所示，此框架以后就是作为锻件和螺柱许用应力的计算工具的界面。图-1许用应力计算表总框架图1-2然后，根据图2-1（具体见Excel第一个工作表中数据）里的数据GB 150-1998钢制压力容器中的螺柱许用应力。取其中某一材料的温度和在其温度下的许用应力的两行数；如取35号钢，M不大于22mm的两行数据，然后用CurveExpert曲线拟合软件拟合这两列数据如图1-2.1得出结果，并得出温度与许用应力的关系在下图右下角的曲线图1-2.1所示:图1-2.1曲线专家拟合过程通过“曲线专家”还可以得出这个曲线的关系式为:y=121.49368-0.24875204*x+0.0013563162*x2-6.2025032e-006*x3+8.9528241e-009*x4这个关系式中，y为许用应力x为温度值。因此类推，用同样的方法拟合出其他材料的温度与许用应力的关系式。最后，再整合这些关系式在一开始在Excel里建逐步建立相关的函数公式，并将其代入上表中相应的单元格内。 图2-1不同温度下的许用应力（3）、本设计中主要使用的函数1、查找函数格式：VLOOKUP(lookup_value,table_array,col_index_num,range_lookup)说明：Lookup_value LOOKUP 要查找的值，它可以是数字、文本、逻辑值、名称或对值的引用。但必须是自定义查找区域最左列。table_array为查找的区域。col_index_num为待返回匹配值的行序号注意：查找函数所查找区域必须是按顺序排列好的，否则提示出错。若所查列或行没有该查找量，则将最靠近的且小于它的数值的对应值显示出。2、逻辑函数格式：IF（logical_test,value_if_ture,value_if_false）说明：判断一个条件（logical_test）是否满足，如果满足返回一个值（value_if_ture），如果不满足则返回另一个值（value_if_false）。除上述函数外,一些常用的数学函数在此就不一一列举.所用到的条件格式在下文中给以说明，常用的一些函数及其功能详见附录-Excel常用函数及功能基于Excel。二、锻件和螺柱应力库设计的主要过程（以具体螺柱例子说明）本课题设计的设计过程数据拟合主要用了四种方法即（直接由GB 150-1998钢中的锻件和螺柱许用应力的已知数据拟合、数据分段拟合、多度一些数值进行拟合、定点修正拟合）来提高拟合精度。下面主要以这四种方法来说明设计过程。、直接由国标中的已知数据拟合 直接用CurveExpert曲线拟合的方法主要适用于许用应力是随温度单调性均匀变化的数据。具体过程如下所述：1、首先将温度与许用应力对应粘贴到CurveExpert曲线专家里面如图3-1：图3- 1曲线专家拟合图3-2 35的拟合过程此次拟合得出的公式为：（为许用应力，t为温度）=123.57097-0.32839494*t+0.002791096*t2-1.6197145e-005*t3+3.9449719e-008*t4-3.3908571e-011*t52、将此公式输入相应的单元格，如：J38=123.57097-0.32839494*H38+0.002791096*H382-1.6197145e-005*H383+3.9449719e-008*H384-3.3908571e-011*H385用相同方法算出35 M22mm的许用应力的计算公式为：= 121.49368-0.24875204*t+0.0013563162*t2-6.2025032e-006*t3+8.9528241e-009*t43、将35螺柱在两个壁厚区域的公式，用逻辑函数IF进行编程，从而将两个分开的函数公式联系起来，得到整个区域的函数关系式，从而达到数据处理自动化。如图3-3：图3-3 35螺柱函数关系式函数关系式的说明：如果35螺柱M22mm， t(温度) 20，则=117MPa,否则= 121.49368-0.24875204*t+0.0013563162*t2-6.2025032e-006*t3+8.9528241e-009*t4;如果35 螺柱M24M27mm，t(温度) 20，则=118MPa,否则= 123.57097-0.32839494*t+0.002791096*t2-1.6197145e-005*t3+3.9449719e-008*t4-3.3908571e-011*t5、数据分段拟合数据分段拟合适用于一组数据中因在某点拟合精度太低的情况下。如以35CrMoA为例，在其M85M105mm时，用一般方法做的话，结果如图4- 1所示，图4-1 35CrMoA螺柱M85M105mm时的拟合在图4-1 中在400这一点的尤为突出，所以解决方法就是在450这一点将数据分两段拟合，分段时要注意450为两段的公用点，这一点作为前段数据的最后一点，后段数据的第一点，前段数据拟合结果如图4-2 所示，厚段数据通过拟合发现用Hoerl Model关系式的精度很大，用一般常用的多项式反而精度低，所以后段数据拟合用Hoerl 模型，如图4-3 所示图4-2 t450时数据拟合前段拟合的函数关系为：=227.83459-0.47967708*t+0.0019400654*t2-3.2868947e-006*t3+9.6289556e-010*t4图4-3 450t500时数据拟合后段数据拟合得出的关系式为：=4.4394036e-055*0.93472022t*t26.272794将两段关系式用逻辑关系IF编为函数关系式:=IF(H283<=450,227.83459-0.47967708*H283+0.0019400654*H2832-0.0000032868947*H2833+0.00000000096289556*H2834,4.4394036E-55*0.93472022H283*H28326.272794)，然后将这组数据在螺柱许用应力工作簿中建立框架如图4-4 所示，将这个函数关系式输入J283-J294每个单元格,并在K283-K283每个单元格中输入函数为：(J283-I283)/I283(J294-I294)/I294，来验证这组数据的精度，发现精度非常的高，也可以从XY散点图4-5中直观的看到，拟合值几乎与原数据一致，所以这种方法拟合的精度十分的高。图4-4 35CrMoA螺柱M85M105mm许用应力的验证图表图4-5 散点图、多读一些数值拟合此方法是指这组数据在某一点的拟合精度不高，可采用在这一点前后多度一些值插入，具体做法以35CrMoA螺柱，M24M48mm为例：用国标中的原始数据直接拟合法发现结果如图5-1 ，从曲线中发现在20度到100度是误差很高，所以在20-100之间，用线性直接求平均值作为插入点，在其他精度不是很高的点同样可以用这种方法插入一些点。点插入后的数据拟合如图5-2 202282022810020640222.56021780211.5100206 图5-0 插入点后的数据值图5-1 35CrMoA螺柱，M24M48mm原始数据拟合曲线图5-2 35CrMoA螺柱，M24M48mm插入点后的数据拟合曲线比较图5-1 与图5-2 ，可以看出明显的变化，精度大大的提高了，拟合结果如下：图5-3 35CrMoA螺柱，M24M48mm的数据拟合曲线关系式为：=235.11914-0.38816848*t-0.00014498832*t2+0.00016277781*t3-4.7808179e-006*t4+6.4017837e-008*t5-4.7937319e-010*t6+2.1743308e-012*t7-6.1165287e-015*t8+1.0438751e-017*t9-9.9013565e-021*t10+4.0038729e-024*t11然后将这组数据在螺柱许用应力工作簿中建立框架如图5- 4所示，将这个函数关系式输入J243-J257每个单元格,并在K243-K257每个单元格中输入函数为：(J243-I243)/I243(J257-I257)/I257，来验证这组数据的精度，发现精度很高。图5-4 35CrMoA螺柱，M24M48mm许用应力的验证图表、定点修正拟合定点修正是针对某点数据拟合误差很大时的另一种解决方法，这种方法比分段拟合简单，但是结果精度有时没有分段拟合精度高。具体设计步骤以0Cr17Ni12Mo2螺柱，M24M48mm为例说明1、 先使用国标中的原始数据进行数据拟合，拟合结果如下图6-1图6-1 0Cr17Ni12Mo2螺柱，M24M48mm原始数据拟合曲线图2、拟合得出的关系式为：=148.21558-0.86597361*t+0.021349053*t2-0.00036938461*t3+3.6318479e-006*t4-2.1686201e-008*t5+8.2385088e-011*t6-2.0304685e-013*t7+3.2278634e-016*t8-3.1863559e-019*t9+1.7720657e-022*t10-4.2317956e-026*t113、将此关系式输入相应的单元格，再进行误差计算，得出结果是在650是的拟合误差为3.4%，误差不在允许的2%范围内，所以要对这一点进行定点修正。4、因为在650这一点拟合后值为51.7Mpa，所以故意由标准中的50调高至52,以求达到定点调高拟合值的目的,使拟合的值尽量接近实际标准值。修正后的拟合曲线如图6-2图6-2 650定点修正后的拟合曲线图拟合得出的关系式为：=146.25833-0.6638223*t+0.013993529*t2-0.00023902082*t3+2.3229528e-006*t4-1.3604981e-008*t5+5.0317997e-011*t6-1.1980017e-013*t7+1.8234257e-016*t8-1.7042972e-019*t9+8.8418341e-023*t10-1.928415e-026*t115、将上面得出的函数关系式输入相应的单元格，计算出点点修正后的拟合的值；6、将算出定点修正后拟合的数据与原始数据进行计算误差，结果如图6-3 所示，在图中可以看到这一点拟合值与原始值的误差明显减少，所以达到了提高进度的要求。7、在这种方法中比较关键的是定点值怎样进行修正，是调高还是调低，而且调高或调低多少也是难点。对于调高调低就是看在没有修正时拟合的值与原始值的误差时正还是负，如果是正就选择调低，相反就选择条带；而关于这个问题只有用笨方法就是解决，可以选择调高或调低1个值后进行修正后的拟合，再计算误差；然后试着再调高或调低2个值或1.5个值进行修正后拟合，在计算遇原始数据的误差；总之多选择几个值进行拟合，拟合后比较看哪个误差最小，就选择哪个修正值。图6-3 0Cr17Ni12Mo2螺柱，M24M48mm的许用应力计算过程框架用这四种典型的方法将国标中其材料的锻件和螺柱许用应力计算编程，选择上面、四种方法中适合的一种，完成其他每个材料的温度与许用应力的函数关系式，然后在螺柱许用应力计算工作薄中建立螺柱应力库，如图7-1 ，在F5-F19每个单元格中输入相应材料的函数关系式，但这些函数关系式中的温度参数为B2，因为此库就是为图1-1螺柱许用应力计算软件所建。图7-1 螺柱应力库在图1-1中，单元格B5用了查找函数VLOOKUP(B3,E5:F19,2,FALSE),即当B3选择一材料时 VLOOKUP就会自动在E5-F19这一区域选择这一材料所在的行的第二列，并读出第二列的值这样就很高效的算出某一温度下某壁厚的许用应力。三、在设计过程中发现的其他问题在GB 150-1998钢制压力容器中螺柱许用应力25CrMoVA GB3077 M16mm 的许用应力为如下表：钢号钢管标准2010015020025030035040042545047550052555025CrMoVAM16mmGB30772101901851791761741681601561511111317239将这组数据分别经过CurveExpert曲线拟合软件拟合出的曲线如下面图8-1:图8-1 25CrMoVA M16mm数据拟合过程在上面图中，我们不难看出在25CrMoVA 的475点是一个突变的值。根据常规而论，钢制材料在使用温度越高的情况下，许用应力就越小，而上面这个例子显然不符合这样的规律，原因何在？经过查阅一些资料发现这是印刷问题，因此本人发现25CrMoVA在475这一温度时的许用应力是141Mpa而不是111Mpa。经过这一修改将数据重新经过CurveExpert曲线拟合软件拟合出的图形如下图所示：图8-3 修改后的25CrMoVA M16mm数据拟合观察上面这幅曲线图虽然拟合精度不是很高，但至少可以看出许用应力是随温度增高而减少的，至于精度不高可以通过之前介绍的四种典型的拟合方法中适合的方法来提高拟合精度。具体见附件中的做法。第三章 设计总结本设计利用EXCEL软件中的常用工程函数用法与编程原理，再利用“曲线专家进行数据拟合对锻件和螺柱在不同温度下的许用应力进行计算，并建立为库，用于计算那种数据庞大繁琐的计算是非常方便的，在改变各种参数后可以得到计算结果，具有较强的说服力和可信度，计算的可还原性好，同时也使得计算过程十分轻松，为锻件和螺柱许用应力的计算提供一些参考，从而消除了设计人员和普通用户对复杂的计算过程的的思考复查的无奈问题。采用数据拟合后，使原来要考虑钢制材料工作温度，屈服极限、强度极限等安全系数再经过公式求解的复杂计算，现在只需配合采用Excel电子表格的函数计算功能，就可以加快计算速度，而且提高了计算精度。而且学会了这个方法以后也可以根据工作的需要建立其他需要知道许用应力的一些工程计算软件，建立更加庞大的许用应力库，而为大家快捷高效的完成工程技术设计服务！总之,通过这次毕业设计我自己的专业知识水平得到了很高的提高,从张鸿晨老师身上学到了严谨认真的对人对事的态度,及一丝不苟的工作态度.在此感谢张老师和同学的帮住让我顺利的完成了毕业设计!附录：EXCEL函数索引（部分）参考文献：1 于钧 王宏启，机械工程材料，冶金工业出版社，20082 全国压力容器标准化技术委员会，GB 150-1998钢制压力容器，学苑出版社，19983全国压力容器标准化技术委员会，GB 151-1999 ，学苑出版社，19994 邢晓林，化工设备，化学工业出版社，2005.55 张鸿晨 季维英 朱小艳，过程装备中的算法模拟，南通职业大学，2009.56 范钦珊，工程力学（静力学和材料力学），高等教育出版社，2002.67 刘来福， 数学模型与数学建模， 北京师范大学出版社，2002.38 张鸿晨等， 基于工程背景的模拟设计技术及其教学软件开发， 江苏省现代教育技术研究课题结题报告，2006.129 程正兴，数据拟合，西安交通大学出版社，1986.10翻译英文科技文献:Stress and StrainLoads are the external forces acting on a structure. Stresses are the internal forces that resist them .Depending on the manner in which the loads are applied, they tend to deform the structure and its components-tensile forces tend to stretch, compressive forces to squeeze together, torsion forces to twist, and shearing forces to slide parts of the structure past each other.If the structure and its components are so supported that, after a very small deformation occurs, no further motion is possible, they are said to be in equilibrium. Under such circumstances, internal forces, or stresses, exactly counteract the load.For convenience in evaluating the load-carrying ability of a member of a structure, it is customary to express its strength in terms of the maximum unit stress, or express its strength in terms of the maximum unit stress, or internal force per unit of area, that it can sustain without suffering structural damage. The application of a safety factor to the maximum unit stress determines a unit stress that should not be exceeded when design loads are applied to the member. That unit stress is known as the allowable stress or working stress.To ascertain whether a structural member has adequate load carrying capacity, the designer generally has to compute the maximum unit stress produced by design loads in the member for each type of internal force-tensile ,compressive, or shearing and compare it with the corresponding allowable unit stress. When the loading is such that the unit stress is constant over a section under consideration, the stress may be obtained by dividing the force by the area of the section .But in general, the unit stress varies form point to point. In that case, the unit stress at any point in the section is the limiting value of the ratio of the internal force on any small area to that area to that area, as the area is taken smaller and smaller.Sometimes in the design of a structure, unit stress may not be the prime consideration .The designer may be more interested in limiting the deformation or strain.Deformation in any direction is the total change in the dimension of a member in that direction .Unit strain in any direction is the deformation per unit of length in that direction.When the loading is such that the unit strain is constant over a portion of a member, it may be obtained by dividing the deformation by the original length of that portion. In general, however, the unit strain varies form