CN108447381A - 一种借助3d打印机打印相似模拟试验模型支架的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种借助3D打印机打印相似模拟试验模型支架的方法，在做巷道支护相似模拟试验时，运用Rhino软件立体，精确的建立模型支架的三维模型，并用与实际支架型号的力学性质和物理性质相同的金属粉末打印出全仿真实体模型，并把应变片粘贴在根据以往经验实际巷道支护中支架容易出现变形和破坏的部位，然后把组合后的模型支架安装入模拟巷道中进行相似模拟试验，最终完成试验。研究人员得以能够制造出与实际巷道支护中采用的支架符合几何相似比及力学性质精确模型支架，与传统相似模拟实验时用人工制作的模型支架相比，精度高，支架力学性质相似，试验得出的结果更贴近现实。
Description
技术领域
本发明涉及相似模拟巷道支护领域，具体涉及一种借助3D打印机打印相似模拟试验模型支架的方法。
背景技术
随着矿井开采逐渐向深部扩展，巷道断面逐渐增大，围岩应力问题更加突出，如果采用工程试验的方法来观测巷道围岩压力，则需要先开挖试验巷道再进行相关的支护工作，工程量大，消耗材料多，劳动量大，经济性与安全性问题相对很差。
缩尺模型试验相似模拟研究成为对矿山压力研究的一种重要方法之一，越来越受到广大科研人员的重视，这种试验优点在于直观的复现现实情况后直接获取成果，不用在实地进行复杂的全尺寸试验，经济且对比数值模型更具有更真实的试验成果。通过对相似模拟试验的研究能够直观的对模拟巷道的围岩破坏特征、围岩支架变形破坏进行定性定量的研究，从而为类似地质条件下的巷道支护设计提供可靠的依据。
在相似模拟巷道中，采用模型支架支护模拟巷道是一种重要的研究巷道支护的手段，对研究对象的形态及规律，按照一定的原则，将现实中复杂的巷道支护变形，以一种比例反映在模型上，通过对研究对象所发生的现象和机理的规律性进行研究。
现阶段在相似模拟试验模型上挖的巷道中，所采用的支护模型与真实巷道中的支架不能做到完全几何相似；另外，现在做相似模拟实验时所采用的支护模型的材料为铝条、钢条，不能够完全实现强度相似；传统的相似模拟试验采用的模型支架采用人工制作，相似模型的尺寸精度低。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明提供一种借助3D打印机打印相似模拟试验模型支架的方法，具体步骤如下：
步骤一、确定相似模型比例：根据模拟巷道尺寸、实际巷道尺寸确定几何相似比；
步骤二、建立三维仿真支架模型：得出几何相似比后，再查阅《煤矿支护手册》（邢福康，2009，煤炭工业出版社）得出巷道支护所用的支架型号以及尺寸，从而确定模型支架的尺寸；
步骤三、3D打印模型支架：应用Rhino软件根据模型支架的尺寸建立精确、细节清晰的模型支架三维模型，尤其是型钢的分段和卡缆这些在手工制作模型时不能突出的细节；
步骤四、根据实际支架的型号查出支架钢材的力学性质及物理性质，选定相同特性的金属粉末；
步骤五、把Rhino（犀牛）软件中建立的三维模型导入3D打印机，采用选定的金属粉末打印出模型支架的实体；
步骤六、根据模型支架尺寸选用合适的应变片，并把应变片粘贴在支护中支架容易出现变形和破坏的部位，并通过数据线把应变片和应变仪连接在一起；
步骤七、把安装应变片后的模型支架安装入模拟巷道中，应变仪调试工作正常以后，对模拟巷道进行加压，通过计算机采集应变片上的应力数据，并观察模拟巷道中模型支架的变形情况；
步骤八、把在相似模拟试验中得到的应力应变数据与模型巷道及模型支架的变形情况和实际巷道中的监测的巷道及支架的变形情况进行对比。
本发明产生的有益效果是：而3D打印是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，本发明工艺简单，利用3D打印技术来完成模型支架的制作环节，代替传统的人工制作，大大节约了人力资源，缩短了试验周期，从应变片中所得到的应力应变分析数据与实际现场的支架的受力变形比较，发现两者之间存在着误差不大的相似比，符合相似定律，从而为类似模拟的地质条件巷道支护设计提供可靠的依据。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种借助3D打印机打印相似模拟试验模型支架的方法，具体步骤如下：
步骤一、确定相似模型比例：根据模拟巷道尺寸、实际巷道尺寸确定几何相似比；
步骤二、建立三维仿真支架模型：根据相似模拟实验模型上挖的巷道的尺寸（模拟巷道尺寸）m 与实际巷道的尺寸p 计算出几何相似比λ=p⁄m，再将实际巷道所使用的支架的几何尺寸p查出来，从而确定模型支架的尺寸；
步骤三、3D打印模型支架：应用Rhino软件根据模型支架的尺寸建立精确、细节清晰的模型支架三维模型，尤其是型钢的分段和卡缆这些在手工制作模型时不能突出的细节；
步骤四、根据实际支架的型号查出支架钢材的力学性质及物理性质，选定相同特性的金属粉末；
步骤五、把Rhino（犀牛）软件中建立的三维模型导入3D打印机，采用选定的金属粉末打印出模型支架的实体；
步骤六、根据模型支架尺寸选用合适的应变片，并把应变片粘贴在支护中支架容易出现变形和破坏的部位，并通过数据线把应变片和应变仪连接在一起；
步骤七、把安装应变片后的模型支架安装入模拟巷道中，应变仪调试工作正常以后，对模拟巷道进行加压，通过计算机采集应变片上的应力数据，并观察模拟巷道中模型支架的变形情况；
步骤八、把在相似模拟试验中得到的应力应变数据与模型巷道及模型支架的变形情况和实际巷道中的监测的巷道及支架的变形情况进行对比。
从应变片中所得到的应力应变分析数据与实际现场的支架的受力变形比较，发现两者之间存在着误差不大的相似比，符合相似定律，从而为类似模拟的地质条件巷道支护设计提供可靠的依据。
本发明在做巷道支护相似模拟试验时，运用Rhino软件立体，精确的建立模型支架的三维模型，并用与实际支架型号的力学性质和物理性质相同的金属粉末打印出全仿真实体模型，并把应变片粘贴在根据以往经验实际巷道支护中支架容易出现变形和破坏的部位，然后把组合后的模型支架安装入模拟巷道中进行相似模拟试验，最终完成试验。研究人员得以能够制造出与实际巷道支护中采用的支架符合几何相似比及力学性质精确模型支架，与传统相似模拟实验时用人工制作的模型支架相比，精度高，支架力学性质相似，试验得出的结果更贴近现实。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域的研究人员不需要付出创造性的劳动即可做出修改或变形仍在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种借助3D打印机打印相似模拟试验模型支架的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一、根据模拟巷道尺寸、实际巷道尺寸确定几何相似比；
步骤二、得出几何相似比后，再查出实际巷道支护所用的支架型号以及尺寸，从而确定模型支架的尺寸；
步骤三、应用Rhino软件根据模型支架的尺寸建立模型支架三维模型；
步骤四、根据实际支架的型号查出支架的力学性质及物理性质，选定相同特性的金属粉末；
步骤五、把Rhino软件中建立的三维模型导入3D打印机，采用选定的金属粉末打印出模型支架的实体；
步骤六、根据模型支架尺寸选用合适的应变片，并把应变片粘贴在支架容易出现变形和破坏的部位，并通过数据线把应变片和应变仪连接在一起；
步骤七、把安装应变片后的模型支架安装入模拟巷道中，加压，通过计算机采集应变片上的应力数据，并观察模拟巷道中模型支架的变形情况；
步骤八、把在相似模拟试验中得到的应力应变数据与模型巷道及模型支架的变形情况和实际巷道中的监测的巷道及支架的变形情况进行对比。
2.如权利要求1所述借助3D打印机打印相似模拟试验模型支架的方法，其特征在于：几何相似比λ=p⁄m，其中m为模拟巷道尺寸，p为实际巷道的尺寸。
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