CN113715132A - 3d打印隧道模型制作辅助装置和模型制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种3D打印隧道模型制作辅助装置和模型制作方法，涉及岩体工程测试技术领域，制作辅助装置包括能够伸入物理模型的隧洞口中的主杆和插锚机构，插锚机构包括安装于主杆上的进给组件和动力组件，进给组件包括固定于主杆的固定件和转动设置的转动件，动力组件用于带动转动件转动；锚杆表面沿轴向设有贯通的开槽，转动件用于与锚杆螺纹连接，固定件上设有用于锚杆穿过的穿孔，穿孔与转动件上的螺孔同轴设置，固定件设有用于与锚杆上的开槽配合以限制锚杆周向转动的限位棱；模型制作方法包括整体打印模型基体和利用辅助装置将锚杆插入到模型基体的锚孔。该申请能够提高岩体物理模型进行实验模拟数据反映实际工程符合度的优点。

Description

3D打印隧道模型制作辅助装置和模型制作方法

技术领域

本申请涉及岩土工程测试技术领域，尤其是涉及一种3D打印隧道模型制作辅助装置和模型制作方法。

背景技术

岩体中往往含有复杂的内部结构特征，如纵横交错的节理裂隙、形态大小不一的孔洞，这些缺陷直接影响整个岩体的变形和强度，且直接关系到岩体工程中的稳定性。为了研究含人工结构的岩体宏观力学性质和变形破坏特征，传统一般会采用室内物理模型实验的方式。然而传统室内物理模拟实验在数值模拟过程中，往往将复杂工程岩体结构进行简化处理，造成模型与真实岩体存在较大的偏差。

随着3D打印技术的发展，研究人员借助CT成像技术和3D打印技术结合，利用塑料打印出与砂岩相同内部空隙特征的模型，然而塑料和岩体材质差异大，试验模拟数据与实际工程相符度低。后来研究人员将塑料用石膏代替，打印出石膏材质的物理模型进行试验，效果有较高的提升。

针对上述相关技术，发明人认为存在以下缺陷：对于隧洞形式的物理模型，3D整体打印后隧洞口较小，人手无法伸入隧洞口内进行锚杆的插放，所以进行试验时模型为无锚杆支护的方式进行，然而实际工程中存在锚杆支护，模拟数据与工程实际情况仍然存在偏差。

发明内容

为了改善3D打印岩体物理模型试验模拟数据反映实际工程符合度低的问题，本申请提供一种3D打印隧道模型制作辅助装置和模型制作方法。

第一方面，本申请提供一种3D打印隧道模型制作辅助装置采用如下的技术方案：

一种3D打印隧道模型制作辅助装置，包括能够伸入物理模型的隧洞口中的主杆和插锚机构，所述插锚机构包括安装于主杆上的进给组件和动力组件，所述进给组件包括固定于主杆的固定件和转动设置的转动件，动力组件用于带动转动件转动；所述锚杆表面沿轴向设有贯通的开槽，所述转动件用于与锚杆螺纹连接，所述固定件上设有用于锚杆穿过的穿孔，穿孔与转动件上的螺孔同轴设置，所述固定件设有用于与锚杆上的开槽配合以限制锚杆周向转动的限位棱。

通过采用上述技术方案，在物理模型外部先将锚杆穿过固定件的穿孔，锚杆上的开槽与固定件上的限位棱对齐，锚杆的端部伸入到转动件内，通过旋转转动件使得锚杆的端部与固定件的穿孔端部齐平或者露出小段。然后通过主杆将进给组件和锚杆伸入到物理模型的隧洞口中，当锚杆移动到与物理模型内的锚孔对齐后，通过动力组件带动转动件旋转，由于转动件与锚杆螺纹连接，锚杆被限位棱限制周向转动，使得锚杆沿着穿孔轴线定向移动插入到物理模型的锚孔中。

可选的，所述主杆表面沿主杆长度方向设有刻度。

通过采用上述技术方案，通过主杆将进给组件伸入到隧洞口内时，可以根据主杆上的刻度判断伸入位置，根据三维建模时物理模型中锚孔的设置位置数据，可以方便快速的将锚杆伸入到锚孔位置。

可选的，所述物理模型制作辅助装置还包括支撑机构，所述支撑机构包括底座和支架，所述支架能够相对底座上下滑动并固定位置，所述主杆支撑于支架并与支架沿主杆长度方向相对滑移。

通过采用上述技术方案，主杆支撑到支架上，移动主杆过程中减小主杆晃动，有利于锚杆与物理模型的锚孔对齐。在锚杆插入锚孔的过程中，减小了主杆晃动造成锚杆插入引发新的裂隙的可能。

可选的，所述支架包括与物理模型的隧洞口轮廓适配的弧形部，所述弧形部上设有沿弧形部的弧面相对滑移并固定的安装座，所述主杆卡接于安装座；所述弧形部上设有角刻度，所述安装座上设有指针，所述指针的指向平行于固定件上穿孔的轴线。

通过采用上述技术方案，由于三维建模时可以知道每个锚孔的轴向夹角，主杆随着安装座沿着弧形部滑动时，可以通过指针来判断锚杆的轴线方向，方便快速调整锚杆与锚孔对齐。

可选的，所述弧形部的截面呈矩形，所述弧形部位于外弧面开设有滑槽，所述弧形部的端面沿周向开设有与滑槽连通的条孔；所述安装座与滑槽相对滑移，所述安装座固定有伸出条孔的螺纹柱，螺纹柱上螺纹连接有螺母。

通过采用上述技术方案，拧松螺母后安装座能够沿着滑槽滑动，螺纹柱在对应的条孔中移动，当安装座位置符合需要后拧紧螺母，操作简单方便。

可选的，所述主杆表面沿主杆长度方向设有导向槽，所述安装座固设有与导向槽配合的导向块。

通过采用上述技术方案，主杆移动时由于导向槽与导向块配合不会发生转动和晃动，提高锚杆插入作业的稳定性。

可选的，所述底座的一端敞口且内部设有空腔，所述支架的端部伸入至底座的空腔中并相对滑移，所述底座的空腔内设有弹性件。

通过采用上述技术方案，下压支架，弹性件受压后整个辅助工具的高度下降，有利于固定件从锚杆上分离，方便操作。

可选的，所述进给组件安装于主杆的一端，所述动力组件包括安装于主杆另一端的微型电机或手轮以及传动结构，传动结构为带传动、链传动或齿轮传动结构的任意一种或两种。

通过采用上述技术方案，微型电机或手轮均能方便的带动转动件实现转动，结构简单，安装维护方便。

第二方面，本申请提供一种3D打印岩体物理模型的制作方法采用如下的技术方案：

一种3D打印岩体物理模型的制作方法，包括以下步骤：

整体3D打印出砂型模型基体，模型基体设有隧洞口和位于隧洞口内壁的多个锚孔；

使用上述3D打印隧道模型制作辅助装置将锚杆插入到模型基体的锚孔中。

通过采用上述技术方案，砂子与岩体结构成分更加接近，整体打印的模型基体减小了组装模型各模块之间的间隙影响实验结果的可能。辅助装置将锚杆插入固定到锚孔中，能够更加真实的模拟实际工程状态，测试模拟数据反映工程实际更相符。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

在物理模型外部先将锚杆穿过固定件的穿孔，锚杆上的开槽与固定件上的限位棱对齐，锚杆的端部伸入到转动件内，通过旋转转动件使得锚杆的端部与固定件的穿孔端部齐平或者露出小段。然后通过主杆将进给组件和锚杆伸入到物理模型的隧洞口中，当锚杆移动到与物理模型内的锚孔对齐后，通过动力组件带动转动件旋转，由于转动件与锚杆螺纹连接，锚杆被限位棱限制周向转动，使得锚杆沿着穿孔轴线定向移动插入到物理模型的锚孔中。能够更加真实的模拟实际工程状态，测试模拟数据反映工程实际更相符。

附图说明

图1为本申请3D打印隧道模型制作辅助装置使用状态的整体结构示意图；

图2为图1中A-A面的剖视图；

图3为本申请实施例的整体结构示意图；

图4为显示支架与底座连接结构在图3中B-B面的剖视图；

图5为图4中C-C部位的截面图；

图6为显示主杆与支架连接结构的结构示意图；

图7为插锚机构的结构示意图；

图8为显示进给组件与锚杆连接关系的结构示意图。

附图标记说明：1、支撑机构；11、底座；111、弹性件；12、支架；121、压板；122、滑槽；123、条孔；13、横杆；2、主杆；21、导向槽；3、插锚机构；31、微型电机；32、主动轮；33、传送带；34、从动轮；35、转动件；36、固定件；361、限位棱；362、连接板；4、安装座；41、导向块；42、指针；5、锚杆；51、开槽；6、模型基体；61、隧洞口；62、锚孔。

具体实施方式

以下结合附图1-8对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开了一种3D打印隧道模型制作辅助装置。参考图1和图2，3D打印隧道模型制作辅助装置包括支撑机构1和安装于支撑机构1上的安装座4，安装座4上滑移连接有主杆2，主杆2上安装有插锚机构3。3D打印岩体物理模型包括模型基体6和插入到模型基体6中的锚杆5，模型基体6贯穿开设有隧洞口61，模型基体6位于隧洞口61的内部设有用于锚杆5插入的锚孔62。使用时将锚杆5预先安装到插锚机构3上，将支撑机构1放置到平台上，然后利用主杆2将插锚机构3伸入到模型基体6的隧洞口61内，通过主杆2伸入的深度调节锚杆5与模型基体6上的锚孔62对齐后，启动插锚机构3将锚杆5插入到对应的锚孔62中固定，然后将辅助装置从模型基体6上撤出，进行3D打印岩体物理模型的后续力学测试。由于物理模型中含有锚杆5，测试的模拟数据结果更加真实反映出实际工程情况。

参考图3和图4，支撑机构1包括底座11和支架12，支架12包括弧形部和固定于弧形部两端的支撑部，此处支架12有两个且并排设置，两个支架12之间通过横杆13固定连接，横杆13固定于支撑部上；每个支撑部对应一个底座11，位于两个支架12同一侧的底座11之间也通过横杆13固定连接为一体，横杆13与底座11以及支架12之间可以通过螺钉固定。

底座11可以为一端敞口、内部中空的长方体，支架12的一端固设有压板121，支撑部带有压板121的一端伸入到底座11的空腔内并能够相对底座11滑动。在底座11内部的空腔中设有弹性件111，弹性件111此处选择使用弹簧。底座11的敞口轮廓小于压板121的轮廓，以防止支架12从底座11上脱离。支架12不受到其他施加外力时，弹性件111对压板121施加支撑力使得压板121靠近底座11的敞口端；当支架12受到外力施加时，支撑部能够带动压板121压缩弹簧收缩变形，支撑部插入到底座11中从而调节整个支撑机构1的高度。

参考图4和图5，支架12的弧形部截面呈矩形，弧形部的外弧面沿周向开设有滑槽122，滑槽122为T形槽。在弧形部的端面沿周向开设有与滑槽122连通的条孔123。支架12位于弧形部上设有角刻度，根据需要，也可以将角刻度使用固定的位置标记替代。

参考图5和图6，主杆2为圆杆，主杆2的表面沿母线方向开设有导向槽21。主杆2沿长度方向设有刻度尺。

安装座4滑动设置于支架12的滑槽122上，安装座4的一端为与滑槽122适配并相对滑动的滑移部，安装座4的另一端设有与主杆2的轮廓配合的卡接部，卡接部呈圆弧形，卡接部具有一定弹性，使得主杆2从卡接部的开口处插入后被卡固。在卡接部上一体设有与导向槽21配合的导向块41，使得主杆2卡入到安装座4的卡接部后，只能沿着卡接部的轴线方向滑移。

为了方便对安装座4的位置进行固定，滑移部上设有穿过条孔123的螺纹柱，螺纹柱与滑移部之间可以插接固定或者通过螺纹固定。螺纹柱上螺纹连接有螺母，当安装座4移动到合适位置后，通过旋转拧紧螺母将安装座4与支架12固定位置。

安装座4位于滑移部与卡接部之间固设有指针42，指针42平行于角刻度所在平面，以便能够准确调整安装座4的位置。

参考图7和图8，插锚机构3包括进给组件和动力组件，动力组件包括安装于主杆2一端的微型电机31和设置于主杆2上的传动结构，此处传动结构为带传动，传动结构包括主动轮32、从动轮34和连接于主动轮32与从动轮34的传送带33，主动轮32与微型电机31的输出轴同轴固定，从动轮34转动连接于主杆2远离微型电机31的一端。在本申请实施例其他实施方式中，传动结构还可以是链传动、蜗轮蜗杆传动等。微型电机31可以为正反转电机。根据需要，微型电机31也可以用手轮代替。

进给组件包括固定于主杆2靠近从动轮34一端的固定件36以及通过连接板362与固定件36连接的转动件35，连接板362与固定件36焊接固定或者通过螺钉固定，转动件35与连接板362转动连接，转动方式可以为轴承连接。固定件36可以为矩形板或者其他形状的板材。转动件35与从动轮34传动连接，此处选择带传动，根据需要也可以为齿轮传动或者链传动。为了方式皮带脱落，转动件35的表面沿周向开设有用于皮带套设的凹槽。固定件36上开设有穿孔，固定件36位于穿孔内壁设有限位棱361。固定件36上的穿孔与转动件35同轴设置。

转动件35可以为螺纹套，锚杆5与转动件35螺纹连接，在锚杆5表面沿其轴线方向开设有开槽51，开槽51的截面与限位棱361相适应。

锚杆5的一端穿过固定件36上的穿孔后与转动件35螺纹连接，由于限位棱361与锚杆5上的开槽51配合防止锚杆5转动，当转动件35转动时，锚杆5沿着固定件36的穿孔轴线移动。

在本申请实施例的其他实施方式中，锚杆5表面设有螺旋线形的沟槽，转动件35上开设有与锚杆5外径相同的通孔，转动件35位于通孔内壁固设有能够伸入沟槽的凸起，此时沟槽的深度大于开槽51的深度，以防止凸起转动至沟槽与开槽51交汇点处时凸起与开槽51滑脱。当转动件35转动时，凸起转动，由于凸起位于沟槽内，则凸起带动具有螺旋线形沟槽的锚杆5沿着通孔轴线移动。

为了能够直观了解锚杆5的轴线方向，指针42的端部指向可以与转动件35的轴线平行。

辅助装置的尺寸根据模型基体6上隧洞口61的截面可以适应调整，以便辅助装置能够伸入到隧洞口61内。

该3D打印隧道模型制作辅助装置进行制作物理模型的方法如下：

（1） 准备3D打印的模型基体6：

S1：对天然裂隙结构岩体进行3D建模与输出；

S2：利用3D砂型打印设备一体打印出模型基体6。

（2） 安装固定锚杆5：

S1：将锚杆5安装到转动件35上，然后把辅助装置伸入到隧洞口61中，支架12与隧洞口61端部平齐；

S2：调整锚杆5位置：移动主杆2，首先根据3D模型设计的锚孔62位置确定主杆2的插入深度，通过主杆2的刻度判断即可；然后根据锚孔62的轴线夹角，移动调整安装座4，使得指针42与支架12上的角刻度对应的位置符合需求，然后固定安装座4位置；此时锚杆5的轴线与锚孔62对齐；

S3：启动微型电机31，锚杆 5向锚孔62插入，当锚杆5与转动件35脱离时不再移动；

S4：下压支架12使得辅助装置的高度降低，同时固定件36下移与锚杆5分离，从隧洞口61中抽出辅助装置；使用其他杆体将锚杆5露出的部位压入到锚孔62内。

重复上述步骤安装剩余锚杆5，则制作出3D打印岩体物理模型，利用该模型进行岩土工程测试模拟。由于物理模型中有锚杆5支撑加固，模拟数据反映出的工程实际更加符合。

为了提高锚杆5与模型基体6的连接牢固性，锚杆5表面可以涂敷胶水，物理模型待胶水硬化后进行测试。辅助装置在胶水硬化时间前进行清洗后再使用。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种3D打印隧道模型制作辅助装置，其特征在于：包括能够伸入物理模型的隧洞口(61)中的主杆(2)和插锚机构(3)，所述插锚机构(3)包括安装于主杆(2)上的进给组件和动力组件，所述进给组件包括固定于主杆(2)的固定件(36)和转动设置的转动件(35)，动力组件用于带动转动件(35)转动；所述锚杆(5)表面沿轴向设有贯通的开槽(51)，所述转动件(35)用于与锚杆(5)螺纹连接，所述固定件(36)上设有用于锚杆(5)穿过的穿孔，穿孔与转动件(35)上的螺孔同轴设置，所述固定件(36)设有用于与锚杆(5)上的开槽(51)配合以限制锚杆(5)周向转动的限位棱(361)。

2.根据权利要求1所述的3D打印隧道模型制作辅助装置，其特征在于：所述主杆(2)表面沿主杆(2)长度方向设有刻度。

3.根据权利要求1或2所述的3D打印隧道模型制作辅助装置，其特征在于：所述物理模型制作辅助装置还包括支撑机构(1)，所述支撑机构(1)包括底座(11)和支架(12)，所述支架(12)能够相对底座(11)上下滑动并固定位置，所述主杆(2)支撑于支架(12)并与支架(12)沿主杆(2)长度方向相对滑移。

4.根据权利要求3所述的3D打印隧道模型制作辅助装置，其特征在于：所述支架(12)包括与物理模型的隧洞口(61)轮廓适配的弧形部，所述弧形部上设有沿弧形部的弧面相对滑移并固定的安装座(4)，所述主杆(2)卡接于安装座(4)；所述弧形部上设有角刻度，所述安装座(4)上设有指针(42)，所述指针(42)的指向平行于固定件(36)上穿孔的轴线。

5.根据权利要求4所述的3D打印隧道模型制作辅助装置，其特征在于：所述弧形部的截面呈矩形，所述弧形部位于外弧面开设有滑槽(122)，所述弧形部的端面沿周向开设有与滑槽(122)连通的条孔(123)；所述安装座(4)与滑槽(122)相对滑移，所述安装座(4)固定有伸出条孔(123)的螺纹柱，螺纹柱上螺纹连接有螺母。

6.根据权利要求4所述的3D打印隧道模型制作辅助装置，其特征在于：所述主杆(2)表面沿主杆(2)长度方向设有导向槽(21)，所述安装座(4)固设有与导向槽(21)配合的导向块(41)。

7.根据权利要求3所述的3D打印隧道模型制作辅助装置，其特征在于：所述底座(11)的一端敞口且内部设有空腔，所述支架(12)的端部伸入至底座(11)的空腔中并相对滑移，所述底座(11)的空腔内设有弹性件(111)。

8.根据权利要求1所述的3D打印隧道模型制作辅助装置，其特征在于：所述进给组件安装于主杆(2)的一端，所述动力组件包括安装于主杆(2)另一端的微型电机(31)或手轮以及传动结构，传动结构为带传动、链传动或齿轮传动结构的任意一种或两种。

9.一种3D打印岩体物理模型的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

整体3D打印出砂型模型基体(6)，模型基体(6)设有隧洞口(61)和位于隧洞口(61)内壁的多个锚孔(62)；

使用权利要求1-8任意一项的3D打印隧道模型制作辅助装置将锚杆(5)插入到模型基体(6)的锚孔(62)中。

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