CN109191571B - 一种应用3d打印技术制备力学试验标准集料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用3D打印技术制备力学试验标准集料的方法，包括步骤：（1）使用3D成像设备获取集料轮廓，计算集料的形状、棱角及纹理参数并统计其分布规律；（2）将集料颗粒的三维轮廓用球谐函数展开，建立球谐函数系数或系数组合后参数与形状、棱角及纹理参数的相互关系；（3）根据集料的目标形状、棱角及纹理参数确定球谐函数系数或系数重组的参数，采用计算机算法逆向生成数字虚拟集料；（4）数字筛分虚拟集料并生成所需虚拟3D集料群；（5）进行3D打印得到集料颗粒。本发明通过集料的目标几何学形态参数，逆向生成数字模型并进行3D打印，能实现定量研究形态学参数对颗粒性堆积材料力学性能的影响，同时能降低实验误差。

Description

一种应用3D打印技术制备力学试验标准集料的方法
技术领域
本发明属于土木工程3D打印技术领域，具体涉及一种应用3D打印技术制备力学试验标准集料的方法。
背景技术
颗粒性堆积材料，如岩土、铁路道砟及混凝土等是土木工程相关领域主要研究对象，其工程力学行为受集料颗粒的级配及几何形状特征的影响较大，其中集料颗粒的几何形态主要包括形状、棱角及纹理三个方面，但是这三个方面的性质在天然的集料颗粒和经石料场加工的集料中是相互交织的难以分离，因此难以单独研究集料形态某一方面的因素对颗粒性堆积材料力学性能的影响。
现有的3D成像及3D重构技术只是对集料几何学形态的重现，不能达到独立控制集料几何形态学特性的目的。为此，本发明提出可用于力学试验的标准集料3D打印方法。本方法可实现独立控制集料的几何学形态特征并研究其对颗粒性堆积材料力学行为的影响，同时利用3D打印的可重复性优势，可降低实验误差，可为石料加工工艺优化、颗粒材料优化设计及颗粒性堆积材料力学行为分析提供支持。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种应用3D打印技术制备力学试验标准集料的方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种应用3D打印技术制备力学试验标准集料的方法，包括以下步骤：
(1)对拟成型力学试件所用的颗粒材料进行逐档筛分，使用3D成像设备获取各档集料的三维轮廓，计算集料的形状、棱角及纹理参数并统计其分布规律；
(2)使用球谐函数对各档集料颗粒的三维轮廓进行级数展开，分析球谐函数系数或系数组合后参数的统计分布规律，并建立系数或参数与上述步骤(1)所确定的集料形状、棱角及纹理参数的相互关系；
(3)根据集料目标形状、棱角及纹理参数或参数统计分布规律确定球谐函数系数或系数组合后参数的统计分布规律，采用计算机算法逆向生成数字虚拟集料；
(4)通过数字筛分算法对数字虚拟集料进行数字筛分，确定其粒径，在此基础上根据试验所需的目标级配曲线生成虚拟3D集料群；
(5)根据虚拟3D集料的数字三维模型，利用3D打印机及打印材料进行打印得到所需集料颗粒。
进一步地，步骤(1)中，所述集料的形状、棱角及纹理参数包括球度等能评价集料几何学形态特征的指标。
进一步地，步骤(1)中，所述3D成像设备采用具有3D成型功能的设备，包括3D扫描仪、CT断层扫描仪。
进一步地，步骤(3)中，所述计算机算法采用具有根据集料目标形状、棱角及纹理参数、球谐函数系数或系数组合后参数的统计分布规律逆向生成数字虚拟集料的算法，包括蒙特卡洛算法。
进一步地，步骤(4)中，所述数字筛分算法采用能确定数字虚拟集料粒径的计算机算法，包括最小包围盒算法。
进一步地，步骤(5)中，所述的打印材料包括树脂、工程塑料等能用于3D打印的材料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、使用3D成像设备获取各档集料的三维轮廓，计算集料的形状、棱角及纹理参数并统计其分布规律，可使逆向生成的数字虚拟集料与真实集料具有较高的几何相似性。
2、能独立控制集料形状、棱角及纹理方面的几何学形态特征，并能根据集料几何学形态特征逆向生成虚拟集料3D模型，实现了独立研究集料几何形态学形态特征对颗粒性堆积材料力学行为的影响。
3、能在数字虚拟集料生成后实现虚拟筛分，避免了3D打印后进行筛分的工作量。
4、3D打印可批量重复打印大量具有相同级配及几何学形状特征的集料，可减低颗粒性堆积材料力学性能试验变异性的目的。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
图2为数字虚拟集料逆向生成所采用的级配示意图。
图3为虚拟生成并筛分的集料颗粒示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不局限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
如图1所示，一种应用3D打印技术制备力学试验标准集料的方法，包括如下步骤：
(1)对成型力学试件所用的颗粒材料进行逐档筛分，使用3D扫描仪获取各档集料的三维轮廓，计算集料的形状、棱角及纹理参数并统计其分布规律；
(2)使用球谐函数对各档集料颗粒的三维轮廓进行级数展开，分析球谐函数系数或系数组合后参数的统计分布规律，封闭曲面球谐函数展开如下式1所示，球谐函数表达式如下式2所示。建立展开系数或其组合与集料形状、棱角及纹理参数的相互关系；
其中：r—封闭曲面球坐标下矢经；
θ、—球坐标下的天顶角、方位角；
n、m—球谐展开的阶、次数(本实例所用阶数为30)；
—球谐展开系数；
—缔合勒让德多项式；
(3)根据集料形状、棱角及纹理参数确定集料3D轮廓球谐函数展开系数并采用蒙特卡洛算法逆向生成数字虚拟集料；
(4)使用最小包围盒算法对数字虚拟集料进行数字筛分，确定其粒径，循环这一过程生成如下图2所示级配曲线的数字虚拟集料颗粒群，其中某颗逆向生成并经筛分粒径为26.5mm的数字集料如下图3所示；
(5)根据虚拟3D集料的数字三维模型，使用树脂进行3D打印得到集料颗粒。
完成打印后，即可将打印的集料颗粒成型试件进行相应的力学性能测试。
以上所述，仅是为清楚地说明本发明所作的举例，并非是对本发明作出的任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及改进变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种应用3D打印技术制备力学试验标准集料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对拟成型力学试件所用的颗粒材料进行逐档筛分，使用3D成像设备获取各档集料的三维轮廓，计算集料的形状、棱角及纹理参数并统计其分布规律；
（2）使用球谐函数对各档集料颗粒的三维轮廓进行级数展开，分析球谐函数系数或系数组合后参数的统计分布规律，并建立系数或参数与上述步骤（1）所确定的集料形状、棱角及纹理参数的相互关系；
（3）根据集料目标形状、棱角及纹理参数，或集料形状、棱角及纹理参数的统计分布规律确定球谐函数系数或系数组合后参数的统计分布规律，采用计算机算法逆向生成数字虚拟集料；
（4）通过数字筛分算法对数字虚拟集料进行数字筛分，确定其粒径，在此基础上根据试验所需的目标级配曲线生成虚拟3D集料群；
（5）根据虚拟3D集料的数字三维模型，利用3D打印机及打印材料进行打印得到所需集料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，所述计算机算法采用蒙特卡洛算法。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）中，所述数字筛分算法采用最小包围盒算法。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述集料的形状、棱角及纹理参数是评价集料几何学形态特征的指标，集料的形状参数包括球度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述3D成像设备采用具有3D成型功能的设备，包括3D扫描仪，其中，3D扫描仪包括CT断层扫描仪。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（5）中，所述的打印材料包括树脂或工程塑料。
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