油井泥浆计量仪壳体快速开发与现场验证研究_宗学文.pdf
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1、塑料工业 第 卷第 期 年 月油井泥浆计量仪壳体快速开发与现场验证研究宗学文,宋增全,刘亮晶,庞 盈,叶 凡(西安科技大学机械工程学院,增材制造技术研究所,陕西 西安)摘要:为实现油井泥浆计量仪外壳的快速开发和使用验证,结合计算机辅助工程()和液晶显示光固化技术()进行了外壳的快速开发。其力学仿真结果表明外壳数模结构满足使用强度要求,在光固化成型过程中不同设备与树脂之间存在一定的匹配性问题,需根据树脂的固化特性调节打印参数从而提高打印质量,最终制得外壳成品经现场使用验证符合设计要求。本研究从产品零件的仿真强度校核,到光固化制造以及使用验证,给出了 技术结合 光固化技术应用于新产品快速开发的全流
2、程,并对 光固化制造中主要的缺陷问题进行了分析和解决。关键词:泥浆计量仪;光固化;力学仿真;快速开发中图分类号:.文献标识码:文章编号:():.开放科学(资源服务)标识码():,(,):,()(),:;油井泥浆计量仪主要应用于油井开采中的泥浆计量,其外壳结构为薄壁壳体类零件,需满足一定的力学性能要求以及和内部电子元件的装配要求。外壳的加工制造采用传统的注塑加工周期太长,为满足外壳的快速试制用于产品的设计验证、功能验证和使用验证。光固化 打印技术广泛应用于模型制造、轻工业制造、软机器人、微电子、生物医学等相关领域,光固化技术因其独特的性价比优势,给产品的小批量快速开发提供了一种周期短、精度高的产
3、品开发方案。在产品的快速开发过程中,其主要难点在于光固化过程中对光聚合反应的理解和控制。史凤岭等采用基于光固化快速成形和凝胶注模技术的涡轮叶片一体化陶瓷铸型快速成形方法,研究了反应烧结硅粉对陶瓷铸型的高温性能影响规律,实现了一体化陶瓷铸型和涡轮叶片的制备。李万华等通过理论及试验研究了树脂收缩、零件结构变化与变形的关系,建立了变形分析的力学模型,运用有限元计算有效地预测零件的变形趋势。佘亚娟等应用光固化快速成型技术对汽车门把手进行了成型开发,大大缩短了产品开发周期,在汽车零部件改进生产上,发挥了突出作用。宗学文等研究了分层厚度、曝光时间、回合等待时间等因素对制件尺寸精度的影响,通过正交试验和极差
4、分析确定了光固化面成型最高尺寸双紫外臭氧动态掩模高效制造大尺度零件原型的方法研究(),叶轮增材制造产业化应用“科学家工程师”队伍()通信作者:宗学文,男,年生,副教授,博士,主要研究方向为增材制造。.作者简介:宋增全,男,年生,硕士研究生,主要研究领域为增材制造。.第 卷第 期宗学文,等:油井泥浆计量仪壳体快速开发与现场验证研究精度的最佳参数组合。以上科研人员的研究对于光固化快速开发以及优化打印工艺具有重大参考意义。本文主要建立了 技术结合 光固化技术应用于新产品快速开发的全流程。通过外壳三维数模的力学仿真校核其实际使用中的强度要求,应用 光固化成型技术快速成型外壳实体,并进行使用验证,同时对
5、打印过程中树脂与设备匹配性问题引起的主要成型缺陷问题进行了分析和解决。希望可以对 光固化快速成形技术进行新产品的快速开发以及光固化成型工艺提供一定的技术参考。力学仿真.外壳三维数模如图 所示,该外壳模型为油井泥浆计量显示器外壳的三维模型,由主壳体和矩形盖组成。矩形盖主壳体图 外壳零部件三维数模图 图 为矩形盖,其尺寸为 ,厚度为 ,四个角上对称分布.的固定孔,中间部分用于后期安装显示屏。图 为主壳体,其尺寸为 ,壁厚均为,底部圆角均为 ,把手圆角为 。主壳体由腔体和把手组成,腔体内部放置电路板和其它电气元件,为主要的受力部件。在外壳的结构设计中,尽量减少了面与面、线与线之间的直角过渡,采用圆角
6、过渡,可以有效地减小光固化成型制造过程中的残余应力以及使用过程中的应力集中。.外壳有限元模型为简化有限分析模型,只对负载元件的主壳体进行分析。采用上述模型的结构尺寸作为有限元分析对象,应用 模块对外壳整体进行静力学分析。首先导入外壳的三维数模,所用材料为高韧性光敏树脂,其固化密度为.,泊松比为.,极限拉伸强度为,弹性模量为,其固化后表现为各向同性,密度分布均匀。网格划分单元类型为四面体网格,为提高网格质量以及合理的计算时间,对外壳整体最大 网格划分,并应用网格控制对外壳的 个过渡曲面进行了局部细化,最大 网 格 。得 到 了 节 点,个单元。有限元模型如图 所示。图 外壳有限元模型 .静力学结
7、果分析由于外壳在实际的使用过程意外摔落为小概率模型,故本文不考虑动力学模型,主要模拟分析外壳在实际使用过程中的两种静力学模型。其中受力情况一为模拟仪表外壳水平放置时主壳体腔体内部零件的重力和预紧力对腔体内部的压力作用。边界条件为对壳体与地接触面添加约束,对腔体内部的零件装卸面添加大小 、方向垂直于地面的压力。如图 所示,为该受力情况下外壳的应力及位移云图。由图 可知,仪表壳体在水平放置受力情况下的最大应力为.,最大变形为.。应力的最大值分布在外壳水平放置时的底面和上端面的过渡曲面上,最大变形位于外壳水平放置时下端面的中心处。受力情况二为模拟仪表外壳在移动中把手的受力情况。边界条件为对手提杆添加
8、约束,对壳体添加标准地球重力,对零件装卸面添加大小 的重力,方向与重力方向平行。如图 所示,为该受力情况下外壳的应力变形云图。塑 料 工 业 年 应力云图总变形云图图 内部零件加载仿真 等效应力云图总变形云图图 手提加载仿真 由图 所知,仪表外壳在手提移动的受力情况下的最大应力为.,最大变形为.。最大应力分布在手提把手两端,最大变形位外壳手提时壳体底面拐角处。通过对主壳体的静力学结构分析发现,在极限工况下,对比外壳的主要两种受力情况,所受最大应力为.,小于材料的屈服强度 ,最大变形为.,小于外壳设计的最大变形量。外壳结构的特征尺寸以及成型材料的力学性能参数满足外壳的使用强度要求。外壳光固化成型
9、.打印参数设置采用光固化 设备打印显示器外壳,所用原材料、设备及仪器如下。高韧性商用树脂:,深圳市纵维立方科技有限公司;材料固化后力学性能指标如表 所示。表 固化光敏树脂力学性能指标 密度()泊松比极限抗拉强度 弹性模量.光固化成型机:型 打印机,广东志乐科技有限公司;固化箱:实验室自制;超声波清洗机:,深圳市钰洁清洗设备有限公司;紫外辐照仪:,台湾泰玛斯仪器仪表;数显千分尺:精度.,南京苏测计量仪器有限公司。.成型缺陷分析商用光敏树脂的最佳工艺参数需与特定打印设备匹配,对于不同光强设备应用同一工艺参数打印同种树脂,很容易引起打印过程中的各种缺陷问题。如 所示,为使用树脂商家给定工艺参数打印的
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