Kenics静态混合元件的快速原型制造

中石油建设hy

Kenics静态混合器(Kenics Static Mixer，KM)
是近30年来发展应用十分迅速的一种混合装置。
尽管KM适应了现代工业工程的要求而得到了迅
速和广泛的应用，但它主要还是基于众多的专利
资料的多种结构体的翻新与改造。在应用中，
流体混合的效果仅仅依靠验证性实验获得感性认
识，理论分析和数值模拟较少，通过“理论分析一数
值模拟一实验研究一工程放大．信息反馈一修正优化-
敏捷制造”的思路进行结构创新和规模制造则少
有报道。
由于其自身的复杂几何结构，Kenics静态混
合器的研发、制造一直进展缓慢。快速原型制造
(Rapid Prototyping&Part Manufacturing，RPM)的飞
速发展和应用研究的迅速普及，为实现Kenics静
态混合器的敏捷化设计与制造提供了崭新的思路
和方法。
1 快速原型制造原理
快速原型制造的工作原理是：首先在CAD系
统上设计出三维的零件模型。然后将模型内外表
面用小三角平面片离散化，每个三角片由其3个
顶点和1个指向体外的向量来描述，得到的数据
便是快速原型机床所接收的描述零件的STL文
件。(sTL文件是由33家CAD软件公司共同制
定的一种文件标准，是快速原型机床通用的“准
标准”)。再将CAM系统作为“切片”计算机，它
对CAD系统设计好的三维模型进行软件切片，然
后用工业cT技术得到各切片断面信息，来确定
机床制作每一切片的激光束最佳路径，包括切片
断面的轮廓路径和轮廓内的扫描路径。切片信息
及生成的路径信息存人sLI文件。sLI文件直接
控制数控系统，把由cAM生成的切片信息和扫描
路径信息，以su命令文件形式输入计算机数控
(cNc)系统。cNc根据输入的命令控制其沿各
坐标轴的动作，从而在机床的运动过程中将三维
零件逐层累积加工出来。
将RPM用在KM的研发、制造过程中，基本
原理如图l所示。
2基于快速原型技术和CFD虚拟原型技术的
产品优化及快速创型
笔者在KM的研发、制造过程中，确定了以快
速原型与虚拟原型相结合的方法。虚拟创型和产
品优化的总体思路(图2)是：
a．预研KM的设计开发中存在的主要问题
和期望的目标，确定解决问题的技术路线。经过
笔者所在研究室的理论研究与实验论证，确定了
采用计算流体动力学方法(computational Fluid
Dynamics，cFD)进行数值模拟KM的运作机理和
所涉及的流体力学性能的技术路线；
b．使用专业CFD软件工具，虚拟研究KM
涉及不同工况、不同应用条件和不同性能要求的