CN108489784A - 一种基于3d打印技术的体积力梯度加载方法 - Google Patents

一种基于3d打印技术的体积力梯度加载方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术的体积力梯度加载方法，属于岩土工程力学实验技术领域。计算实际岩土工程中不同结构面中地应力的大小，按等比例缩小岩土式样，通过数值模拟软件ANSYS模拟出磁场强度，处在电磁场中的磁性物质收到磁场的作用，从而产生一个体积力。根据电磁学原理计算出各个结构面处的磁性材料质量，构建待制备试件的三维模型，并将该三维模型输入至3D打印机中。试件制作时，一个喷头打印类岩土材料，一个喷头打印磁性物质，待试件制作完成后，将试件放入磁场中。磁性物质被电磁铁吸引，而产生一个梯度体积力，达到模拟实际环境的目的。本发明可以人为的控制体积力加载的大小，避免了传统离心机体积力加载不均的缺点。

Description

一种基于3D打印技术的体积力梯度加载方法
技术领域
本发明涉及一种体积力加载方法，特别涉及一种基于3D打印技术的体积力梯度加载方法，属于岩土工程力学实验技术领域。
背景技术
在岩土工程中，岩土工作者经常需要在实验室模拟真实环境下的岩体，如边坡、大坝等。但自然环境下，岩体中存在着非常多的节理裂隙等结构面，而岩体的力学性质又主要受这些结构面控制，这使得在实验室模拟真实岩体非常的困难且必要。通过3D打印技术可以精确控制裂隙等结构面的形态和分布，甚至能够制造出非常复杂的结构面，这使得在实验室可以较为真实的得到真实岩体的模拟试件。
但在实际工程中，岩体的体积与重量非常的大，导致在现场进行试验较为困难，因而大多数岩土工作者选择在实验室中模拟真实环境中的岩体。然而岩体在真实环境中，受岩体的自身重量而产生自重应力，其实质是一种梯度的体积力。实验室模拟实验中通常采用的是按等比例缩小的真实岩土工程试样，由于尺寸效应，可能导致所受重力与真实环境下有较大的区别，从而无法较为有效的模拟实际工程中的岩体。
目前体积力加载方式主要包括如下几种：
专利号为201410089506.1的中国发明专利《自平衡重力荷载加载方法》，公开了一种自平衡重力荷载加载方法，属于重力荷载试验技术领域。该发明包括“V”型挂件，联排轮滑组，吊钩，钢丝绳，钢丝绳固定器，反力底座。但加载时存在着受力点的问题，并非体积力加载，对试件影响较大。
专利号为201510109197.7的中国发明专利《一种超重力油水分离装置》，公开了一种超重力油水分离装置，包括机架和设置在所述机架上的筒体，主要通过离心机施加一个离心的体积力。
离心机作为主流的超重力装置，应用在各行业中。但由于仪器大小的原因，无法适用于大体积的试件，同时又存在着体积力加载不均，操作复杂，且对试件有损等缺点
综上所诉，目前超重力加载装置，普遍存在着无法适用于大体积试块、体积力加载不均等问题。因此，迫切需要一种新型的超重力装置，已达到适用于大体积试件的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于3D打印技术的体积力梯度加载方法，该方法能够适用于较大的岩土工程试件，能够较为真实的模拟真实岩体在实际环境中的受力情况。
本发明涉及一种基于3D打印技术的体积力加载方法，包括如下步骤：
步骤(1)计算实际岩土工程中不同结构面中地应力的大小，按等比例缩小岩土式样，通过数值模拟软件ANSYS模拟出磁场强度，处在电磁场中的磁性物质收到磁场的作用，从而产生一个体积力。这个体积力的大小与磁性物质的质量和磁场强度有关，根据电磁学原理计算出各个结构面处的磁性材料质量，构建待制备试件的三维模型，并将该三维模型输入至3D打印机中；
步骤(2)3D打印机所使用的打印材料是掺入等质量替代的磁性物质，磁性物质包括铁粉、镍粉，通过3D打印，在试件的不同位置打印不同的质量的磁性物质，从而能够模拟自然环境中不同结构面导致的地应力的变化，得到等比例缩小的实际岩土工程试件。
步骤(3)试件制作时，一个喷头打印类岩土材料，一个喷头打印磁性物质，待试件制作完成后，将试件放入磁场中。磁性物质被电磁铁吸引，而产生一个梯度体积力，达到模拟实际环境的目的。
采用3D打印技术能够精确控制结构面的形态和分布；通过数值模拟软件能够精确的确定各个结构面所掺入磁性物质的大小，最终实现模拟自然环境中的岩体真实地应力情况。
步骤(1)中，使用三维绘图软件如Solidworks软件，构建实际岩土工程的三维数字模型。
步骤(2)中，预先将等质量替代的磁性物质掺入3D打印材料中。为避免因材料密度相差太大导致的体积不均匀沉积，选用的3D打印材料和磁性物质有着近似的密度。
步骤(3)中，试件放入的磁场，是由通电螺线管产生的电磁场，通过数值模拟软件能够准确模拟出磁场各处的磁感应强度的大小，通过调节试件各位置的磁性物质的分布质量，从而能够精确的模拟真实环境中的地应力变化。通过预设在试块内的感应器能够准确判断超重力场的大小，进而通过增强电磁铁的通电电流来继续增大磁感应强度，而磁场线分布不变，从而达到模拟深层岩体地应力的目的。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：(1)本装置适用于较大体积的试块，符合岩土工程实验的要求。且通过预设在试块内的感应器，可以较为准确的判断出超重力场的大小，从而可以准确模拟出现实环境中的岩体地应力情况。(2)较传统的离心机操作方便，极大的降低了成本且对试件无损可以多次重复利用。(3)本发明通过制作三维数字模型并将该模型进行3D打印，能够精确的控制真实岩体中的复杂结构面的空间形态和分布情况，掺入少量的磁性物质，对试件的模拟真实岩土工程有着较小的印象。(4)本发明采用的电磁场，可以人为的控制体积力加载的大小，避免了传统离心机体积力加载不均的缺点。
附图说明
图1为实验装置模型图；
图2为电磁铁详图；
图3为电磁铁A-A截面图；
图4为电磁铁B-B截面图；
图5为感应器工作原理图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明试件的制备方法如下步骤：
(1)根据实际岩土工程，计算实际岩土工程中不同结构面中地应力的大小，按等比例缩小岩土式样，通过数值模拟软件如ANSYS等模拟出磁场强度，进而计算出各个结构面处的磁性材料质量，构建待制备试件的三维数字模型，并将该三维数字模型输入3D打印机中。
(2)预先将等质量替代的磁性物质掺入3D打印材料中。为了避免因材料密度相差太大导致的体积不均匀沉积，采用的3D打印材料应该和磁性物质有着近似的密度。3D打印所使用的材料是掺入等质量替代的磁性物质如铁粉、镍粉等的3D打印材料，通过3D打印，在试块的不同位置打印不同的质量的磁性物质，从而能够模拟自然环境中不同结构面导致的地应力的变化。得到等比例缩小的实际岩土工程试件。
(3)试件制作时，3D打印机的一个喷头打印类岩土材料，3D打印机的另一个喷头打印磁性物质，待试件制作完成后，将试件放入磁场中。磁性物质被电磁铁吸引，而产生一个梯度体积力，达到模拟实际环境的目的。
从图1所示可知，电磁加载仪为圆桶形，包括抗磁钢板外壳1、透磁托盘3、电磁铁4、排风扇5和感应器6。试件2由等质量掺入磁性物质并通过3D打印制成，试件2的尺寸取决于实际岩土工程等比例缩小比例。感应器6埋设在试件2中，试件2放在透磁托盘3上，电磁铁4放置在透磁托盘3的底部，电磁铁4的底部设有排风扇5；排风扇5、电磁铁4、感应器6和透磁托盘3均安装在磁钢板外壳1上。
如图2-4所示，本发明的电磁铁模型如下：
电磁铁4包括外磁极12、磁轭板和励磁线圈8；在圆心磁芯与外磁极12之间分布有若干个中磁极11，中磁极11为一圆环，各个中磁极11与中磁极11之间用环形抗磁钢板6隔开，铁芯9沿圆周方向布置，每个铁芯9一端与磁轭板焊接，另一端与环形中磁极11由螺栓连接；每个铁芯9上设有一个励磁线圈8，之后用隔热层7隔开，并且每个励磁线圈8所产生的磁场方向相同。
选取共十三个铁芯9，使铁芯按如图3-4所示布置，各个铁芯9沿环向布置，各个铁芯9与磁轭板相连，励磁线圈8与壳体之间装有绝缘材料10，励磁线圈8装于壳体1之后用环形抗磁板由螺栓连接。
感应器6和电磁铁分别与电源连接，感应器6与控制器连接，控制器与功率放大器连接，功率放大器与电磁铁连接。

Claims (3)

1.一种基于3D打印技术的体积力梯度加载方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤(1)计算实际岩土工程中不同结构面中地应力的大小，按等比例缩小岩土式样，通过数值模拟软件ANSYS模拟出磁场强度，处在电磁场中的磁性物质收到磁场的作用，从而产生一个体积力；这个体积力的大小与磁性物质的质量和磁场强度有关，根据电磁学原理计算出各个结构面处的磁性材料质量，构建待制备试件的三维模型，并将该三维模型输入至3D打印机中；
步骤(2)3D打印机所使用的打印材料是掺入等质量替代的磁性物质，磁性物质包括铁粉、镍粉，通过3D打印，在试件的不同位置打印不同的质量的磁性物质，从而能够模拟自然环境中不同结构面导致的地应力的变化，得到等比例缩小的实际岩土工程试件；
步骤(3)试件制作时，一个喷头打印类岩土材料，一个喷头打印磁性物质，待试件制作完成后，将试件放入磁场中；磁性物质被电磁铁吸引，而产生一个梯度体积力，达到模拟实际环境的目的；
采用3D打印技术能够精确控制结构面的形态和分布；通过数值模拟软件能够精确的确定各个结构面所掺入磁性物质的大小，最终实现模拟自然环境中的岩体真实地应力情况；
步骤(1)中，使用三维绘图软件如Solidworks软件，构建实际岩土工程的三维数字模型；
步骤(2)中，预先将等质量替代的磁性物质掺入3D打印材料中；为避免因材料密度相差太大导致的体积不均匀沉积，选用的3D打印材料和磁性物质有着近似的密度；
步骤(3)中，试件放入的磁场，是由通电螺线管产生的电磁场，通过数值模拟软件能够准确模拟出磁场各处的磁感应强度的大小，通过调节试件各位置的磁性物质的分布质量，从而能够精确的模拟真实环境中的地应力变化；通过预设在试块内的感应器能够准确判断超重力场的大小，进而通过增强电磁铁的通电电流来继续增大磁感应强度，而磁场线分布不变，从而达到模拟深层岩体地应力的目的。
2.实现权利要求1所述方法的一种基于3D打印技术的体积力梯度加载电磁加载仪，其特征在于，电磁加载仪为圆桶形，包括抗磁钢板外壳(1)、透磁托盘(3)、电磁铁(4)、排风扇(5)和感应器(6)；试件(2)由等质量掺入磁性物质并通过3D打印制成，试件(2)的尺寸取决于实际岩土工程等比例缩小比例；感应器(6)埋设在试件(2)中，试件(2)放在透磁托盘(3)上，电磁铁(4)放置在透磁托盘(3)的底部，电磁铁(4)的底部设有排风扇(5)；排风扇(5)、电磁铁(4)、感应器(6)和透磁托盘(3)均安装在抗磁钢板外壳(1)上。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的体积力梯度加载电磁加载仪，其特征在于，电磁铁(4)包括外磁极(12)、磁轭板和励磁线圈(8)；在圆心磁芯与外磁极(12)之间分布有若干个中磁极(11)，中磁极(11)为一圆环，各个中磁极(11)与中磁极(11)之间用环形抗磁钢板(6)隔开，铁芯(9)沿圆周方向布置，每个铁芯(9)一端与磁轭板焊接，另一端与环形中磁极(11)由螺栓连接；每个铁芯(9)上设有一个励磁线圈(8)，之后用隔热层(7)隔开，并且每个励磁线圈(8)所产生的磁场方向相同；
选取共十三个铁芯(9)，各个铁芯(9)与磁轭板相连，各个铁芯(9)沿环向布置，励磁线圈(8)与壳体之间装有绝缘材料(10)，励磁线圈(8)装于抗磁钢板外壳(1)之后用环形抗磁板由螺栓连接；
感应器(6)和电磁铁分别与电源连接，感应器(6)与控制器连接，控制器与功率放大器连接，功率放大器与电磁铁连接。
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