CN113626911A - 基于第一主应力矢量分布的混凝土3d打印路径优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法，该方法是通过在建模软件得出相关构件的三维模型，并利用切片软件将该三维模型进行切片处理得到模型的切片信息和层厚信息；以上步骤完成后将三维模型导入有限元软件进行应力应变的计算，得出各个部位关键节点的应力矢量的信息，包括大小和方向；起到了扬长避短，充分发挥混凝土线的轴向强度，避免薄弱部位承受主要荷载的作用。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程混凝土施工与智能建造领域，属于直接挤出的增材制造方式，特别涉及一种基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法。
背景技术
混凝土3D打印技术具有多学科交叉和融合的特点，是种新兴的土木工程智能建造技术，凭借其打印过程无模化、自动化、数字化等优势，引起了国内外学者和业界的广泛关注。同时，混凝土3D打印技术的出现也为创新型建筑和结构设计与施工新材料开发提供了广阔的空间。近年来，3D打印混凝土技术已被成功应用于建筑桥梁、市政道路、风景园林等相关示范工程，展现出了广阔的发展前景。
3D打印技术不需要刀具、模具等其他加工程序或工具，利用三维模型的数据即可完成相关建造，可以在短时间内完成大量复杂结构的建造，大大减少相关构件的建造时间和人力物力消耗。通过混凝土3D打印技术，可以实现构件的一体化建造，省去不必要构件部分的建造过程，为多功能、非均质、复杂结构的混凝土构件实现低成本、高效率、绿色化建造提供可能性。
目前混凝土3D打印主要应用于市政道路、风景园林、装饰工程等方面，在主要建筑物等承重结构方面并未实现大规模应用，究其原因主要是因为混凝土3D打印线与线、面与面之间的粘接存在薄弱情况，粘接强度要明显弱于混凝土线强度，对于结构的安全性和耐久性无法提供有力支撑。因此本发明就上述问题提出基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法，改变混凝土3D打印无法应用于承重建筑物的现状。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法，在建模软件得出相关构件的三维模型，并利用切片软件将该三维模型进行切片处理得到模型的切片信息和层厚信息；以上步骤完成后将三维模型导入有限元软件进行应力应变的计算，得出各个部位关键节点的应力矢量的信息，包括大小和方向；起到了扬长避短，充分发挥混凝土线的轴向强度，避免薄弱部位承受主要荷载的作用。
为实现上述技术效果，本发明所采用的技术方案是：一种基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法，包括以下步骤：
S1，在建模软件中设计文件，对参数进行修改使其能准确描述构件尺寸，并导出为STL格式文件备用；
S2，将该软件的模型导入有限元软件，并对该模型进行网格划分处理；一般可选择三角形或四边形网格；在有限元软件中输入实际的材料信息和荷载信息，然后在有限元软件中进行计算，根据计算结果获得构件在载荷作用下三维模型中应力的传递特征和应力分布情况，获得第一主应力的分布情况；
S3，提取构件网格节点坐标和第一主应力矢量，根据构件实际受力情况找出构件轮廓线的第一个点作为基准点，记为Mi，得出该点的应力矢量；分别计算当前基准点应力矢量与相邻网格节点应力矢量构成的夹角α；当夹角α最小时，则取该相邻网格节点为下一个基准点Mi（i＝i+1），提取并保存当前基准点的坐标；当不同的网格节点与基准点Mi的夹角α相同且最小时，则做一条过当前基准点Mi且与基准点Mi应力矢量方向重合的直线，取到直线距离最小的网格节点为当前基准点Mi(i＝i+1)，提取并保存当前基准点的坐标；
S4，重复步骤S3直到获得所有应力矢量上面的离散点，并通过数值拟合的方式，得出每条样条曲线，将该样条曲线设置为初始打印路径；
S5，对S4所获得的样条曲线用等距密实的方法进行填实，其填实的间距根据打印机喷头的直径进行计算。生成打印设备可以识别的G代码，并将打印路径显示于计算机屏幕上。
优选地，步骤S4中的数据拟合方式为，根据节点坐标通过插值计算及数值拟合的方式来获得。
优选地，打印路径的宽度=综合系数M×打印头直径D。
优选地，综合系数M的选择是根据打印头直径、混凝土坍落度、打印速度及其他综合因素进行选择。
优选地，步骤S4得出的始打印路径可为一条或多条。
优选地，在有限元计算过程中，对于材料参数及承受荷载情况需要根据实际情况进行添加。
优选地，该路径规划方法适用于多种直径和材料的打印。
本发明的有益效果为：
不同于传统的切片软件自动生成的打印路径，本发明通过计算构件所受的第一主应力矢量，得到构件各个部位应力大小和方向，结合混凝土3D打印的特点，规划打印路径，使混凝土3D打印所得构件承受更大的应力，达到提升构件力学性能，实现混凝土3D打印高效率、广范围、绿色化建造的效果，解决了现有技术对于结构的安全性和耐久性无法提供有力支撑的问题。
附图说明
图1为本发明的基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径规划方法流程图。
图2为本发明的基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径规划方法步骤图。
图3为本发明构件线条模型。
图4为本发明构件打印构型。
具体实施方式
如图1~图4中，一种基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法，包括以下步骤：
S1，在建模软件中设计文件，对参数进行修改使其能准确描述构件尺寸，并导出为STL格式文件备用；建模软件选用CAD或其他建模软件。
S2，将该软件的模型导入有限元软件，并对该模型进行网格划分处理；一般可选择三角形或四边形网格；在有限元软件中输入实际的材料信息和荷载信息，然后在有限元软件中进行计算，根据计算结果获得构件在载荷作用下三维模型中应力的传递特征和应力分布情况，获得第一主应力的分布情况；
S3，提取构件网格节点坐标和第一主应力矢量，根据构件实际受力情况找出构件轮廓线的第一个点作为基准点，记为Mi，得出该点的应力矢量；分别计算当前基准点应力矢量与相邻网格节点应力矢量构成的夹角α；当夹角α最小时，则取该相邻网格节点为下一个基准点Mi（i＝i+1），提取并保存当前基准点的坐标；当不同的网格节点与基准点Mi的夹角α相同且最小时，则做一条过当前基准点Mi且与基准点Mi应力矢量方向重合的直线，取到直线距离最小的网格节点为当前基准点Mi(i＝i+1)，提取并保存当前基准点的坐标；
S4，重复步骤S3直到获得所有应力矢量上面的离散点，并通过数值拟合的方式，得出每条样条曲线，将该样条曲线设置为初始打印路径；
S5，对S4所获得的样条曲线用等距密实的方法进行填实，其填实的间距根据打印机喷头的直径进行计算。生成打印设备可以识别的G代码，并将打印路径显示于计算机屏幕上。
优选地，步骤S4中的数据拟合方式为，根据节点坐标通过插值计算及数值拟合的方式来获得。
优选地，打印路径的宽度=综合系数M×打印头直径D。
优选地，综合系数M的选择是根据打印头直径、混凝土坍落度、打印速度及其他综合因素进行选择。
优选地，步骤S4得出的始打印路径可为一条或多条。
优选地，在有限元计算过程中，对于材料参数及承受荷载情况需要根据实际情况进行添加。
优选地，该路径规划方法适用于多种直径和材料的打印。
优选地，在本实验实例中，实验材料可以为混凝土、砂浆、水泥纯浆等建筑材料；表征轮廓数据信息的文件可以是CLI文件、SSL文件和STL中的一种；有限元仿真软件为ANSYS、MSC. Patron、Hyper mesh、ABAQUS中的一种。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法，其特征在于： 包括以下步骤：
S1，在建模软件中设计文件，对参数进行修改使其能准确描述构件尺寸，并导出为STL格式文件备用；
S2，将该软件的模型导入有限元软件，并对该模型进行网格划分处理；在有限元软件中输入实际的材料信息和荷载信息，然后在有限元软件中进行计算，根据计算结果获得构件在载荷作用下三维模型中应力的传递特征和应力分布情况，获得第一主应力的分布情况；
S3，提取构件网格节点坐标和第一主应力矢量，根据构件实际受力情况找出构件轮廓线的第一个点作为基准点，记为Mi，得出该点的应力矢量；分别计算当前基准点应力矢量与相邻网格节点应力矢量构成的夹角α；当夹角α最小时，则取该相邻网格节点为下一个基准点Mi（i＝i+1），提取并保存当前基准点的坐标；当不同的网格节点与基准点Mi的夹角α相同且最小时，则做一条过当前基准点Mi且与基准点Mi应力矢量方向重合的直线，取到直线距离最小的网格节点为当前基准点Mi(i＝i+1)，提取并保存当前基准点的坐标；
S4，重复步骤S3直到获得所有应力矢量上面的离散点，并通过数值拟合的方式，得出每条样条曲线，将该样条曲线设置为初始打印路径；
S5，对S4所获得的样条曲线用等距密实的方法进行填实，其填实的间距根据打印机喷头的直径进行计算；生成打印设备可以识别的G代码，并将打印路径显示于计算机屏幕上。
2.根据权利要求1所述的一种基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法，其特征在于：所述步骤S4中的数据拟合方式为，根据节点坐标通过插值计算及数值拟合的方式来获得。
3.根据权利要求1所述的一种基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法，其特征在于：所述打印路径的宽度=综合系数M×打印头直径D。
4.根据权利要求3所述的一种基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法，其特征在于：所述综合系数M的选择是根据打印头直径、混凝土坍落度、打印速度进行选择。
5.根据权利要求1所述的一种基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法，其特征在于：所述步骤S4得出的始打印路径可为一条或多条。
6.根据权利要求1所述的一种基于第一主应力矢量分布的混凝土3D打印路径优化方法，其特征在于：在有限元计算过程中，材料参数及承受荷载情况根据实际情况进行添加。
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