CN110682400B - 一种基于3d打印平台的数字孪生结构试验系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统和方法，其中，工控机启动结构打印命令控制结构打印组件进行分层打印；确认打印层到达隧洞开挖断面的下界面或者上界面时，则发出进料切换命令控制进料组件切换为添加剂供给机构，并监控到确认进料切换完成后发出传感器打印命令，控制打印头移动到试验预先确定的测量控制点位上进行微型传感器的打印；监控完成所有测量控制点位上的微型传感器打印，发出进料切换命令，并监控到进料切换混凝土供给机构后发出结构打印命令控制结构打印组件的打印头继续结构打印，直至结构模型中所有节点单元遍历完毕。本发明不但能快速、精细打印出结构模型，还能打印出结构模型中埋设的微型传感器。
Description
技术领域
本发明涉及实验室结构模型试验系统领域，尤其涉及一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统和方法。
背景技术
智能建造是保证岩体结构工程安全和高效(施工和运行)的重要途径，结构模型试验是保证结构安全、进行设计的主要依据之一。传统结构模型的加工主要依赖于人力，不仅非常耗时，成本较高，且对地质构造的模拟精度方面存在较大误差，不利于模型试验的开展。另外，在对施工和衬砌过程的模拟、不同处理措施的效果分析方面，也存在很大的局限性。例如，隧洞开挖的施工过程、围岩衬砌的实时模拟、隧洞TBM掘进过程中的支护时机、隧洞岩爆和卡机的超前预防措施模拟等方面，传统的结构模型难以实现。
发明内容
为了克服现有技术存在的对地质构造的模拟精度存在较大误差的技术问题，本发明提供一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统，通过其能够有效提升对地质构造的模拟精度。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明提供一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统，其包括：
打印平台、结构打印组件、进料组件、微型传感器、高速摄像机、数据采集卡、工控机；
结构打印组件通过可伸缩机械臂固定在打印平台上，可伸缩机械臂通过转动轴承连接打印头；
进料组件包括混凝土供给机构和添加剂供给机构，分别与打印头连接；
微型传感器分布式平行布置在结构模型内设定的上界面和下界面之间，通过导线引出并经过数据采集卡与工控机连接，传输采集到的结构模型内部各测点的位移信息；
高速摄像机对称位置布置在打印平台顶部靠近侧边位置，镜头范围覆盖整个打印平台，并将监测到的视频信息通过导线引出并经过数据采集卡传给工控机；
数据采集卡接收的模拟信号转换成数字信号传输给工控机；
工控机的通过导线与数据采集卡相连；通过导线与打印控制器相连；打印控制器通过无线或有线方式分别与结构打印组件和进料组件的信号控制端相连。
更优选地，所述的基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统还包括：
掘进组件和加载装置；
掘进组件包括掘进刀盘和刀盘顶推装置；掘进组件通过刀盘顶推装置固定在打印平台的框架上；掘进刀盘前端与结构模型接触，后端与刀盘顶推装置固定；刀盘顶推装置上具有伸缩套管；
加载装置固定在打印平台的上部顶梁上，对结构模型顶部进行多点竖向加载，并通过导线将压力值通过数据采集卡传给工控机；
所述打印控制器通过无线或有线方式与掘进组件和加载装置的信号控制端相连。
本发明还提供一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验方法，其包括：
步骤S101，工控机通过打印控制器启动结构打印命令控制结构打印组件进行分层打印；该结构打印命令中载有：结构打印命令信号、结构模型的节点单元以及节点单元坐标信息；
步骤S102，工控机确认打印层到达隧洞开挖断面的下界面或者上界面时，则执行步骤S103，发出进料切换命令控制进料组件切换为添加剂供给机构，并监控到确认进料切换完成后发出传感器打印命令，控制结构打印组件的打印头移动到试验预先确定的第一个测量控制点位上进行微型传感器的打印；
步骤S104，监控当前微型传感器是否打印完成，并当确认打印完成时，则执行步骤S105，记录本次微型传感器打印；
步骤S106，判断是否完成所有测量控制点位上的微型传感器打印，若是，则转入步骤S108；若否，则执行步骤S107，控制结构打印组件的打印头移动到试验预先确定的下一个测量控制点位上进行下一个微型传感器的打印，然后转入步骤S104；
步骤S108，工控机发出进料切换命令，并监控到进料切换混凝土供给机构后发出结构打印命令控制结构打印组件的打印头继续结构打印。
步骤S109，判断STL打印文件中的结构模型的所有节点是否遍历完成，若是，则确认完成结构模型打印；否则，继续转入步骤S101。
更优选地，所述的数字孪生结构试验方法还包括：
步骤S110，工控机启动加载命令控制加载装置对结构模型进行液压控制加载；
步骤S111，根据加载装置反馈的压力值判断液压加载是否达到预先设定的压力值；若是，则确认加载完成，执行步骤S112，启动掘进开挖命令控制掘进刀盘实施隧洞掘进开挖。
更优选地，所述的数字孪生结构试验方法还包括：
步骤S113，工控机根据接收到的数据采集卡传输给的多点位移信号和加载装置的压力值，利用有限元数值方法建立数字孪生模型，计算反演出结构模型内的应力状态；
步骤S114，结合结构模型内的应力状态和当前刀盘掘进速度，通过机器学习的神经网络算法预测数字孪生模型的演化过程；
步骤S115，根据数字孪生模型的演化过程判断是否有出现围岩开裂或者坍塌现象的结构薄弱位置，若是，则执行步骤S116，记录该结构薄弱位置的定位坐标信息，并给出衬砌打印命令控制结构打印组件前进到结构薄弱位置处实施衬砌打印。
更优选地，所述的数字孪生结构试验方法还包括：
步骤S117，工控机根据接收的高速摄像机采集的视频信息，通过图像识别算法检测分析打印的混凝土砌衬区域是否存在缺陷，若是，则执行步骤S118，记录衬砌缺陷位置的定位坐标信息，启动衬砌加固打印命令通过打印控制器驱动打印头对存在缺陷的衬砌位置进行修补加固。
由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下优点：
1、本发明的3D打印平台上打印头的进料机构包括混凝土供给模块和添加剂供给模块，不但能快速、精细的打印出结构模型，还能打印出结构模型中埋设的微型测量传感器。
2、本发明的3D打印平台装置安装有掘进刀盘和打印头，能够模拟隧洞结构开挖衬砌过程，填补了这一实验研究的空白。
3、本发明提出一种“掘进过程——数字孪生模型——衬砌打印”的打印思路，通过实时更新的数字孪生模型确定掘进过程中隧洞结构的薄弱处，从而判断衬砌支护的位置和时机，避免了结构开裂或岩爆的发生。
4、本发明通过实时的数字孪生模型来判断支护衬砌的位置和时机，相比人工进洞观察而言，避免了光线不足、空间狭小等不利条件，也避免了人工视觉判断的误差，从而大大增加了结构模型试验的成功率。
5、本发明的操作方法简单、装置结构简单，易于操作。
附图说明
图1为本发明的一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统的结构示意图；
图2为本发明的一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验方法的实施流程图。
附图中：
打印平台1；结构打印组件2、打印头2.1、可伸缩机械臂2.2；进料组件3、混凝土供给机构3.1、添加剂供给机构3.2；掘进组件4、掘进刀盘4.1、刀盘顶推装置4.2；加载装置5；结构模型6；微型传感器7；高速摄像机8；数据采集卡9；工控机10、打印控制器10.1。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
本发明实施例一提供一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统，其结构如图1所示，该基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统包括：
打印平台1、结构打印组件2、进料组件3、掘进组件4、加载装置5、结构模型6、微型传感器7、高速摄像机8、数据采集卡9、工控机10。
该基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统的各部件的结构及功能如下：
打印平台1由6m×4m×4m的钢材料框架结构组成，打印平台1的底部是一块连续平板，顶部横向布置有四根横梁，用于固定加载装置5和高速摄像机8。打印平台1的左侧布置有安装架，安装架宽度大于或等于掘进组件4的宽度。
结构打印组件2包括打印头2.1、可伸缩机械臂2.2；打印头2.1通过可伸缩机械臂2.2固定在打印平台1上，打印头2.1通过转动轴承连接在可伸缩机械臂2.2上，打印头2.1的活动范围根据隧洞结构模型的洞孔直径确定，打印头2.1和相应的可伸缩机械臂2.2的数量和布置位置根据具体需要打印的结构来设置。
进料组件3包括混凝土供给机构3.1和添加剂供给机构3.2，均与打印头2.1连接，添加剂供给机构3.2为打印头2.1供给添加剂打印材料，该添加剂可以是改善混凝土性质的快硬早强添加剂，也可以是除混凝土材料以外的树脂材料。混凝土供给机构3.1为打印头2.1供给混凝土打印材料，其包括混凝土泵送管道和混凝土泵，混凝土泵送管道一端连接混凝土泵，另一端与打印头2.1连接。
掘进组件4包括掘进刀盘4.1和刀盘顶推装置4.2；掘进组件4通过刀盘顶推装置4.2固定在打印平台1的框架上。掘进刀盘4.1前端与结构模型6接触，后端与刀盘顶推装置4.2固定；刀盘顶推装置4.2上具有伸缩套管，通过该伸缩套管来控制掘进刀盘4.1的前进或者后退。
加载装置5可以由多个千斤顶组成，固定在打印平台1的上部顶梁上，采用液压控制加载的方法，用于在试验过程中对结构模型6顶部进行多点竖向加载并记录压力值读数，并通过导线将压力值通过数据采集卡9传给工控机10。
微型传感器7用于采集结构模型6内部各测点的位移信息，其可以是多个光纤位移传感器，分布式平行布置在结构模型6内设定的上界面和下界面之间，通过导线引出并经过数据采集卡9与工控机10连接。
高速摄像机8对称位置布置在打印平台1顶部靠近侧边位置，镜头范围覆盖整个打印平台1，用于记录试验过程中结构模型6的变化(如结构开裂)，并将监测到的视频信息通过导线引出并经过数据采集卡9传给工控机。由于高速摄像机8布置在打印平台1顶部靠近侧边位置，故其位置也比较安全，不易损坏镜头。
数据采集卡9接收微型传感器7、加载装置5、高速摄像机8传输的模拟信号，并把模拟信号转换成数字信号传输给工控机10。
工控机10的通过导线与数据采集卡9相连；通过导线与打印控制器10.1相连；打印控制器10.1通过无线或有线的方式分别与结构打印组件2、进料组件3、掘进组件4、加载装置5的信号控制端相连。
本发明实施例一的工作原理：
结构模型的3D打印功能：
工控机10获取一个包含待打印结构模型所有节点单元、每个节点单元坐标信息的STL(STereoLithography,立体光刻)格式的三维打印文件，通过打印控制器10.1启动结构打印命令控制结构打印组件2进行分层打印。该结构打印命令中载有：结构打印命令信号、结构模型所有节点单元、每个节点单元坐标信息。
结构打印组件2接到结构打印命令，在打印平台1的空间内开始进行大尺度结构模型6的打印，并根据结构模型所有节点单元和每个节点单元坐标信息，移动打印头2.1的移动路径，采用由下而上的分层打印方式进行分层打印。
待上述打印步骤打印到标定的隧洞断面的上界面和下界面的高程时，更换进料组件3为添加剂供给机构3.2，改用树脂材料以已打印层为基础，在试验预先确定的测量控制点上打印微型传感器7除接线以外的部位，并进行人工接线并将导线引出。每打印完成一个微型传感器7，工控机10便记录一次，待隧洞断面上界面和下界面之间的所有微型传感器7全部打印完成后，更换进料组件3为混凝土供给机构3.1为结构打印组件2供给混凝土打印材料，继续结构模型6的打印。
隧洞掘进功能：
通过加载装置5对结构模型进行加载，模拟深埋隧洞的地应力。工控机10开始掘进任务并通过打印控制器10.1发出掘进信号后，掘进组件4的刀盘顶推装置4.2向前顶推使掘进刀盘4.1稳步掘进，模拟实验过程中的隧道开挖进程。
数字孪生功能：
工控机10根据接收到的数据采集卡9传输给微型传感器7采集到的多点位移信号和加载装置5的压力值，利用有限元数值方法建立数字孪生模型，计算反演出结构模型内的应力状态。结合结构模型内的应力状态和当前刀盘掘进速度，通过机器学习的神经网络算法预测数字孪生模型的演化过程。
打印衬砌功能：
工控机10根据数字孪生模型的演化过程确定出出现围岩开裂或者坍塌现象的结构薄弱位置时，则记录该结构薄弱位置的定位坐标信息，并通过打印控制器10.1发出衬砌打印命令控制结构打印组件前进到结构薄弱位置处实施衬砌打印。混凝土供给机构3.1为结构打印组件2的打印头2.1供给混凝土打印材料，打印头2.1根据结构薄弱位置的定位坐标信息实施衬砌打印，防止发生开裂和岩爆灾害。
工控机10根据接收的高速摄像机8采集的视频信息，通过图像识别算法检测分析打印的混凝土砌衬区域是否存在缺陷，并记录衬砌缺陷位置的定位坐标信息，启动衬砌加固打印命令通过打印控制器10.1驱动打印头2.1对存在缺陷的衬砌位置进行修补加固。
上述实施例一中，也可以不包括掘进组件4和加载装置5。此情况下，该基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统相对于上述实施例一仅仅能够实现结构模型的3D打印。
实施例二：
本发明实施例二提供一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验方法，其实施流程如图2所示，包括如下步骤：
步骤S101，工况机10通过打印控制器10.1启动结构打印命令控制结构打印组件2进行分层打印。该结构打印命令中载有：结构打印命令信号、结构模型的节点单元、节点单元坐标信息。其中结构模型的节点单元和节点单元坐标信息是根据工控机10获取到的STL格式的三维打印文件获取的。
结构打印组件2接到结构打印命令，在打印平台1的空间内开始进行大尺度结构模型6的打印，并根据结构模型所有节点单元和每个节点单元坐标信息，移动打印头2.1的移动路径，采用由下而上的分层打印方式进行分层打印。
步骤S102，工控机判断打印层是否到达隧洞开挖断面的下界面或者上界面，若是，则执行步骤S103，发出进料切换命令控制进料组件切换为添加剂供给机构3.2，并监控到确认进料切换完成后发出传感器打印命令，控制结构打印组件2的打印头移动到试验预先确定的第一个测量控制点位上进行微型传感器的打印；若否，则继续此步骤S102。
进料组件3根据进料切换命令切换为添加剂供给机构3.2，结构打印组件2以结构现有打印层为平台，在试验预先确定的测量控制点上进行微型传感器7的打印。所述测量控制点等间距布置在隧洞断面的上界面和下界面上。
步骤S104，根据STL打印文件中当前微型传感器的节点单元信息是否遍历完成，监控当前微型传感器是否打印完成，若是，则执行步骤S105，即记录本次微型传感器打印；若否，继续此步骤S104。
步骤S106，判断是否完成所有测量控制点位上的微型传感器打印，若是，则转入步骤S108；若否，则执行步骤S107，工况机控制结构打印组件2的打印头移动到试验预先确定的下一个测量控制点位上进行下一个微型传感器的打印，然后转入步骤S104；
步骤S108，工控机发出进料切换命令，并监控到进料切换混凝土供给机构3.1后发出结构打印命令控制结构打印组件2的打印头继续结构打印。
步骤S109，判断STL打印文件中的结构模型的所有节点单元信息是否遍历完成，若是，则表明完成结构模型打印，然后转入后续的隧洞掘进开挖进程，即执行步骤S110-步骤S112；若否，则转入步骤S101；
由步骤S104-步骤S109可以看出，工况机每打印完成一个微型传感器便记录一次，直到上界面或下界面的4个微型传感器全部打印完成，工控机发出进料切换命令控制。进料组件切换为混凝土供给机构3.1为结构打印组件2供给混凝土打印材料，继续结构模型6的打印。
步骤S110，启动加载命令控制加载装置对结构模型进行液压控制加载；
加载装置接到一个加载命令，对结构模型进行液压控制加载到预先设定的压力值，模拟深埋隧洞的初始地应力场。
步骤S111，根据加载装置反馈的压力值判断液压加载是否达到预先设定的压力值；若是，则确认加载完成，执行步骤S112，启动掘进开挖命令控制掘进刀盘实施隧洞掘进开挖；若否，则继续此步骤S111。
掘进刀盘接到一个掘进开挖命令，实施隧洞掘进开挖过程。
经过上述步骤S110-步骤S112，能够实现隧道掘进开挖实验的模拟。
步骤S113，工控机10根据接收到的数据采集卡9传输给的多点位移信号和加载装置5的压力值，利用有限元数值方法建立数字孪生模型，计算反演出结构模型内的应力状态。
步骤S114，结合结构模型内的应力状态和当前刀盘掘进速度，通过机器学习的神经网络算法预测数字孪生模型的演化过程。
步骤S115，根据数字孪生模型的演化过程判断是否有出现围岩开裂或者坍塌现象的结构薄弱位置，若是，则执行步骤S116，记录该结构薄弱位置的定位坐标信息，并给出衬砌打印命令；若否，则执行步骤S112。
结构打印组件接收到结构薄弱位置的定位坐标信息和衬砌打印命令，前进到结构薄弱位置处实施衬砌打印，避免结构开裂或坍塌。
通过步骤S113至步骤S116，工况机能够利用数字孪生模型判断结构应力过大的薄弱处并能确定定位信息，控制结构打印组件前行到该薄弱位置处进行衬砌打印。
步骤S117，工控机10根据接收的视频信息，通过图像识别算法检测分析打印的混凝土砌衬区域是否存在缺陷，若是，则执行步骤S118，记录衬砌缺陷位置的定位坐标信息，启动衬砌加固打印命令通过打印控制器10.1驱动打印头2.1对存在缺陷的衬砌位置进行修补加固；若否，则执行步骤S112。
打印控制器10.1接收衬砌缺陷位置的定位坐标信息和衬砌加固打印命令，通过电气驱动打印头2.1对存在缺陷的衬砌位置进行修补加固。
通过步骤S117至步骤S118，工况机能够根据接收的视频信息实时检测打印的混凝土砌衬区域是否存在缺陷，并能够利用结构打印组件对存在缺陷处的位置衬砌加固打印。
上述S101至S118步骤交替进行，实现了“结构打印—掘进过程—数字孪生模型—衬砌打印”的打印思路，每一次掘进过程都会相应更新一个数字孪生模型，根据数字孪生模型能够判断结构应力过大的薄弱处并能确定定位信息，从而及时对结构进行衬砌打印和衬砌加固打印，避免了结构开裂或岩爆的发生。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统，其特征在于，所述的基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统包括：
打印平台(1)、结构打印组件(2)、进料组件(3)、微型传感器(7)、高速摄像机(8)、数据采集卡(9)、工控机(10)；
结构打印组件(2)通过可伸缩机械臂(2.2)固定在打印平台(1)上，可伸缩机械臂(2.2)通过转动轴承连接打印头(2.1)；
进料组件(3)包括混凝土供给机构(3.1)和添加剂供给机构(3.2)，分别与打印头(2.1)连接；
微型传感器(7)分布式平行布置在结构模型(6)内设定的上界面和下界面之间，通过导线引出并经过数据采集卡(9)与工控机(10)连接，传输采集到的结构模型(6)内部各测点的位移信息；所述微型传感器(7)是由工控机(10)通过打印控制器(10.1)控制结构打印组件(2)移动到测量控制点位上进行打印形成的；
高速摄像机(8)对称位置布置在打印平台(1)顶部靠近侧边位置，镜头范围覆盖整个打印平台(1)，并将监测到的视频信息通过导线引出并经过数据采集卡(9)传给工控机；
数据采集卡(9)接收的模拟信号转换成数字信号传输给工控机(10)；
工控机(10)通过导线与数据采集卡(9)相连；通过导线与打印控制器(10.1)相连；打印控制器(10.1)通过无线或有线方式分别与结构打印组件(2)和进料组件(3)的信号控制端相连；
工控机(10)通过打印控制器(10.1)控制结构打印组件(2)进行分层打印；并当确认打印层到达隧洞开挖断面的下界面或者上界面时，则将进料组件(3)切换为添加剂供给机构(3.2)，并控制结构打印组件(2)的打印头移动到测量控制点位上进行微型传感器(7)的打印；当完成所有测量控制点位上的微型传感器(7)打印后，则将进料组件(3)切换到混凝土供给机构(3.1)后发出结构打印命令控制结构打印组件(2)的打印头继续结构打印，直至确认完成结构模型打印。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统，其特征在于，所述的基于3D打印平台的数字孪生结构试验系统还包括：
掘进组件(4)和加载装置(5)；
掘进组件(4)包括掘进刀盘(4.1)和刀盘顶推装置(4.2)；掘进组件(4)通过刀盘顶推装置(4.2)固定在打印平台(1)的框架上；掘进刀盘(4.1)前端与结构模型(6)接触，后端与刀盘顶推装置(4.2)固定；刀盘顶推装置(4.2)上具有伸缩套管；
加载装置(5)固定在打印平台(1)的上部顶梁上，对结构模型(6)顶部进行多点竖向加载，并通过导线将压力值通过数据采集卡(9)传给工控机(10)；
所述打印控制器(10.1)通过无线或有线方式与掘进组件(4)和加载装置(5)的信号控制端相连。
3.一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验方法，其特征在于，所述的数字孪生结构试验方法包括：
步骤S101，工控机通过打印控制器启动结构打印命令控制结构打印组件进行分层打印；该结构打印命令中载有：结构打印命令信号、结构模型的节点单元以及节点单元坐标信息；
步骤S102，工控机确认打印层到达隧洞开挖断面的下界面或者上界面时，则执行步骤S103，发出进料切换命令控制进料组件切换为添加剂供给机构，并监控到确认进料切换完成后发出传感器打印命令，控制结构打印组件的打印头移动到试验预先确定的第一个测量控制点位上进行微型传感器的打印；
步骤S104，监控当前微型传感器是否打印完成，并当确认打印完成时，则执行步骤S105，记录本次微型传感器打印；
步骤S106，判断是否完成所有测量控制点位上的微型传感器打印，若是，则转入步骤S108；若否，则执行步骤S107，控制结构打印组件的打印头移动到试验预先确定的下一个测量控制点位上进行下一个微型传感器的打印，然后转入步骤S104；
步骤S108，工控机发出进料切换命令，并监控到进料切换混凝土供给机构后发出结构打印命令控制结构打印组件的打印头继续结构打印；
步骤S109，判断STL打印文件中的结构模型的所有节点是否遍历完成，若是，则确认完成结构模型打印；否则，继续转入步骤S101。
4.根据权利要求3所述的一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验方法，其特征在于，所述的数字孪生结构试验方法还包括：
步骤S110，工控机启动加载命令控制加载装置对结构模型进行液压控制加载；
步骤S111，根据加载装置反馈的压力值判断液压加载是否达到预先设定的压力值；若是，则确认加载完成，执行步骤S112，启动掘进开挖命令控制掘进刀盘实施隧洞掘进开挖。
5.根据权利要求4所述的一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验方法，其特征在于，所述的数字孪生结构试验方法还包括：
步骤S113，工控机根据接收到的数据采集卡传输给的多点位移信号和加载装置的压力值，利用有限元数值方法建立数字孪生模型，计算反演出结构模型内的应力状态；
步骤S114，结合结构模型内的应力状态和当前刀盘掘进速度，通过机器学习的神经网络算法预测数字孪生模型的演化过程；
步骤S115，根据数字孪生模型的演化过程判断是否有出现围岩开裂或者坍塌现象的结构薄弱位置，若是，则执行步骤S116，记录该结构薄弱位置的定位坐标信息，并给出衬砌打印命令控制结构打印组件前进到结构薄弱位置处实施衬砌打印。
6.根据权利要求5所述的一种基于3D打印平台的数字孪生结构试验方法，其特征在于，所述的数字孪生结构试验方法还包括：
步骤S117，工控机根据接收的高速摄像机采集的视频信息，通过图像识别算法检测分析打印的混凝土砌衬区域是否存在缺陷，若是，则执行步骤S118，记录衬砌缺陷位置的定位坐标信息，启动衬砌加固打印命令通过打印控制器驱动打印头对存在缺陷的衬砌位置进行修补加固。
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