CN106053765B - 基于3d打印的三维矿山相似材料模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置，包含有顶板，所述顶板的四角设有外框架，所述外框架通过夹固器与所述顶板实现连接，所述外框架的四周设有帮板，所述顶板和帮板上均匀分布有数个加压块；通过在顶板和帮板上设置数个加压块并结合本发明提供的使用方法，便于建立模拟环境的立体关系，实现了各种环境的立体模拟，保证了数据获取的准确性。

Description

基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及矿山相似材料模拟试验领域，具体涉及一种基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置及方法。

背景技术

相似材料模拟试验是研究煤岩体受采动影响的应力、应变状态变化以及矿山压力显现特征的重要手段和主要方法。现有的模拟试验装置由底座、底板、帮板、左右立柱和顶梁构成，采用黄沙、水泥等材料人工铺设、云母片分层等粗放模式，多为相似模拟某一截面的煤岩体，较难模拟现场复杂的采场、巷道等的立体关系；受相似模拟试验装置结构限制，多为对模型施加平面均布载荷，无法对顶、底板失稳变形及两帮变形等进行有效立体模拟。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置及使用步骤，以达到便于实现环境的立体模拟和保证数据获取的准确性的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置，包含有顶板，所述顶板的四角设有外框架，所述外框架通过夹固器与所述顶板实现连接，所述外框架的四周设有帮板，所述顶板和帮板上均匀分布有数个加压块。

本发明通过在顶板和帮板上设置数个加压块便于建立模拟环境的立体关系，实现了各种环境的立体模拟，保证了数据获取的准确性。

作为优选的，所述外框架包含有一块呈矩形的底板和四根立柱导轨，所述立柱导轨固定连接在所述底板的四个角上，所述底板上均匀分布有数个限位孔。通过外框架的底板和立柱导轨保证的外框架的稳定性，并通过底板上分布限位孔，便于获取模拟环境底部的相关数据。

作为优选的，所述顶板包含有顶部限位板，所述顶部限位板上也均匀分布有数个限位孔，所述顶部限位板的四周包含有顶部横梁，所述顶部横梁的两端设有榫头，所述立柱导轨上设有与榫头相适配的滑动槽，所述顶部横梁通过滑动槽和顶部横梁两端的榫头固定连接在所述立柱导轨上。通过在顶板上分布数个限位孔，便于模拟环境的顶部进行实验，利用顶部横梁两端的榫头实现立柱导轨和顶板的连接。

作为优选的，所述帮板的顶部与所述顶部横梁相衔接，所述帮板的底部与所述顶板实现连接，所述帮板的左右两侧均设有榫头，所述榫头与所述立柱导轨的滑动槽相适配，所述帮板上也均匀分布有限位孔。利用帮板上的限位孔实现对模拟环境四周的调整以及数据的获取。

作为优选的，所述夹固器包含有夹固块，所述夹固块的中心设有与所述立柱导轨相配套的榫孔，所述夹固块的侧面还设有螺孔，所述螺孔上设有与螺孔相适配的螺栓。利用夹固块和螺栓实现了夹固器和立柱导轨之间的固定连接。

作为优选的，所述加压块包含有呈圆柱体状活塞杆和成长方体状的加压头，所述活塞杆固定连接在所述加压头的中心，所述活塞杆与所述限位孔相适配，所述加压头置于整个装置的内部，所述活塞杆穿过所述限位孔，所述活塞杆的另一端连接气压缸。通过气压缸对活塞杆进行施加压力，保证了模拟环境的精确性。

还一方面，本发明提供了基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置的使用方法，包含有如下步骤：

(1).将矿山实际情况按比例缩小，采用砂型3D打印机逐层打印成试件并安置于底板上，并根据试验要求在试件内预置感应片；

(2).将帮板通过左右两侧的榫头沿着所述立柱导轨上的滑动槽插入立柱导轨内；

(3).将顶板通过顶部横梁两端的榫头插入立柱导轨的滑动槽内；

(4).将夹固器中部的榫孔对准立柱导轨插入，将夹固器移动到合适位置是拧紧螺栓；

(5).将感应片连接相适配的测量仪器，利用气压缸向活塞杆施加压力进行环境模拟，由于每个活塞杆都单独连接一个对应的气压缸，因此可以实现不同部位施加不同的压力，通过测量仪器随时记录下应力变化情况；

(6).根据步骤(5)中的数据进行相应的数据分析，得出相应的结论。

本发明具有如下优点：

1.本发明通过在顶板和帮板上设置数个加压块并结合本发明提供的使用方法，便于建立模拟环境的立体关系，实现了各种环境的立体模拟，保证了数据获取的准确性。

2.本发明通过外框架的底板和立柱导轨保证的外框架的稳定性，并通过底板上分布限位孔，便于获取模拟环境底部的相关数据。

3.本发明通过在顶板上分布数个限位孔，便于模拟环境的顶部进行实验，利用顶部横梁两端的榫头实现立柱导轨和顶板的连接。

4.本发明利用帮板上的限位孔实现对模拟环境四周的调整以及数据的获取。

5.本发明利用夹固块和螺栓实现了夹固器和立柱导轨之间的固定连接。

6.本发明通过气压缸对活塞杆进行施加压力，保证了模拟环境的精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例公开的基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置中外框架的结构示意图；

图3为本发明实施例公开的基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置中顶板的结构示意图；

图4为本发明实施例公开的基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置中夹固器的结构示意图；

图5为本发明实施例公开的基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置中加压块的结构示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.顶板 11.顶部限位板 12.顶部横梁 13.榫头 2.外框架 21.底板

22.立柱导轨 23.限位孔 3.夹固器 31.夹固块 32.榫孔 33.螺孔

34.螺栓 4.帮板 5.加压块 51.活塞杆 52.加压头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置及方法，其工作原理是通过在顶板和帮板上设置数个加压块并结合本发明提供的使用方法，便于建立模拟环境的立体关系，实现了各种环境的立体模拟，保证了数据获取的准确性。

下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图5所示，一种基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置，包含有顶板1，所述顶板的四角设有外框架2，所述外框架通过夹固器3与所述顶板实现连接，所述外框架的四周设有帮板4，所述顶板和帮板上均匀分布有数个加压块5。

本发明通过在顶板和帮板上设置数个加压块便于建立模拟环境的立体关系，实现了各种环境的立体模拟，保证了数据获取的准确性。

值得注意的是，所述外框架2包含有一块呈矩形的底板21和四根立柱导轨22，所述立柱导轨固定连接在所述底板的四个角上，所述底板上均匀分布有数个限位孔23。通过外框架的底板和立柱导轨保证的外框架的稳定性，并通过底板上分布限位孔，便于获取模拟环境底部的相关数据。

值得注意的是，所述顶板1包含有顶部限位板11，所述顶部限位板上也均匀分布有数个限位孔，所述顶部限位板的四周包含有顶部横梁12，所述顶部横梁的两端设有榫头13，所述立柱导轨上设有与榫头相适配的滑动槽，所述顶部横梁通过滑动槽和顶部横梁两端的榫头固定连接在所述立柱导轨上。通过在顶板上分布数个限位孔，便于模拟环境的顶部进行实验，利用顶部横梁两端的榫头实现立柱导轨和顶板的连接。

值得注意的是，所述帮板4的顶部与所述顶部横梁相衔接，所述帮板的底部与所述顶板实现连接，所述帮板的左右两侧均设有榫头，所述榫头与所述立柱导轨的滑动槽相适配，所述帮板上也均匀分布有限位孔。利用帮板上的限位孔实现对模拟环境四周的调整以及数据的获取。

值得注意的是，所述夹固器3包含有夹固块31，所述夹固块的中心设有与所述立柱导轨相配套的榫孔32，所述夹固块的侧面还设有螺孔33，所述螺孔上设有与螺孔相适配的螺栓34。利用夹固块和螺栓实现了夹固器和立柱导轨之间的固定连接。

值得注意的是，所述加压块5包含有呈圆柱体状活塞杆51和成长方体状的加压头52，所述活塞杆固定连接在所述加压头的中心，所述活塞杆与所述限位孔相适配，所述加压头置于整个装置的内部，所述活塞杆穿过所述限位孔，所述活塞杆的另一端连接气压缸。通过气压缸对活塞杆进行施加压力，保证了模拟环境的精确性。

还一方面，本发明提供了基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置的使用方法，包含有如下步骤：

(1).将矿山实际情况按比例缩小，采用砂型3D打印机逐层打印成试件并安置于底板上，并根据试验要求在试件内预置感应片；

(2).将帮板通过左右两侧的榫头沿着所述立柱导轨上的滑动槽插入立柱导轨内；

(3).将顶板通过顶部横梁两端的榫头插入立柱导轨的滑动槽内；

(4).将夹固器中部的榫孔对准立柱导轨插入，将夹固器移动到合适位置是拧紧螺栓；

(5).将感应片连接相适配的测量仪器，利用气压缸向活塞杆施加压力进行环境模拟，由于每个活塞杆都单独连接一个对应的气压缸，因此可以实现不同部位施加不同的压力，通过测量仪器随时记录下应力变化情况；

(6).根据步骤(5)中的数据进行相应的数据分析，得出相应的结论。

通过以上的方式，本发明所提供的基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置及方法，通过在顶板和帮板上设置数个加压块并结合本发明提供的使用方法，便于建立模拟环境的立体关系，实现了各种环境的立体模拟，保证了数据获取的准确性。

以上所述的仅是本发明所公开的基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置及方法的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置，其特征在于，包含有顶板，所述顶板的四角设有外框架，所述外框架包含有一块呈矩形的底板和四根立柱导轨，所述立柱导轨固定连接在所述底板的四个角上，所述底板上均匀分布有数个限位孔，所述外框架通过夹固器与所述顶板实现连接，所述夹固器包含有夹固块，所述夹固块的中心设有与所述立柱导轨相配套的榫孔，所述夹固块的侧面还设有螺孔，所述螺孔上设有与螺孔相适配的螺栓，所述顶板包含有顶部限位板，所述顶部限位板上也均匀分布有数个限位孔，所述顶部限位板的四周包含有顶部横梁，所述顶部横梁的两端设有榫头，所述立柱导轨上设有与榫头相适配的滑动槽，所述顶部横梁通过滑动槽和顶部横梁两端的榫头固定连接在所述立柱导轨上，所述外框架的四周设有帮板，所述帮板的顶部与所述顶部横梁相衔接，所述帮板的底部与所述顶板实现连接，所述帮板的左右两侧均设有榫头，所述榫头与所述立柱导轨的滑动槽相适配，所述帮板上也均匀分布有限位孔，所述顶板和帮板上均匀分布有数个加压块，所述加压块包含有呈圆柱体状活塞杆和成长方体状的加压头，所述活塞杆固定连接在所述加压头的中心，所述活塞杆与所述限位孔相适配，所述加压头置于整个装置的内部，所述活塞杆穿过所述限位孔，所述活塞杆的另一端连接气压缸。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的三维矿山相似材料模拟试验装置的使用方法，包含有如下步骤：

(1).将矿山实际情况按比例缩小，采用砂型3D打印机逐层打印成试件并安置于底板上，并根据试验要求在试件内预置感应片；

(2).将帮板通过左右两侧的榫头沿着所述立柱导轨上的滑动槽插入立柱导轨内；

(3).将顶板通过顶部横梁两端的榫头插入立柱导轨的滑动槽内；

(4).将夹固器中部的榫孔对准立柱导轨插入，将夹固器移动到合适位置时拧紧螺栓；

(5).将感应片连接相适配的测量仪器，利用气压缸向活塞杆施加压力进行环境模拟，由于每个活塞杆都单独连接一个对应的气压缸，因此可以实现不同部位施加不同的压力，通过测量仪器随时记录下应力变化情况；

(6).根据步骤(5)中的数据进行相应的数据分析，得出相应的结论。