一种基于3d打印制备光纤光栅模型土工格栅的装置及方法
阅读说明：本技术 一种基于3d打印制备光纤光栅模型土工格栅的装置及方法 (Device and method for preparing fiber grating model geogrid based on 3D printing ) 是由 李从安 胡波 李波 童军 宋诚 甘旭东 谢学伦 于 2021-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于3D打印制备光纤光栅模型土工格栅的装置及方法,该装置包括计算机系统和模型土工格栅打印设备,所述模型土工格栅打印设备包括打印机机架、安装于打印机机架的土工格栅原料供应组件、喷头移动组件、设于土工格栅原料供应组件端头的喷头、设于喷头下方的打印平台、喷头移动组件。本发明通过3D打印技术将光纤光栅封装于模型土工格栅内部,解决了加筋土结构模型试验中筋材应力的测量问题,实现了模型土工材料的变形及内力精确测量。(The invention provides a device and a method for preparing a fiber grating model geogrid based on 3D printing. According to the invention, the fiber bragg grating is packaged in the model geogrid by a 3D printing technology, so that the problem of measurement of the stress of the reinforced material in a reinforced soil structure model test is solved, and the accurate measurement of the deformation and the internal force of the model geogrid is realized.)
技术领域
本发明涉及岩土工程模型试验领域，具体是一种基于3D打印制备光纤光栅模型土工格栅的装置及方法。
背景技术
土工合成材料因其具有抗拉强度高、适应变形能力强、造价地低廉等优点而被广泛应用于岩土工程中。加筋土结构是通过将土工合成材料，诸如土工膜、土工格栅、土工格室等预埋入土体中，通过土体进行加筋的方式进而提高加筋结构整体稳定性，减小变形的效果。
而目前加筋土结构的设计过程中，其理论研究往往滞后于工程实践，导致工程设计往往便于保守，不少失事与失败的案例，事后分析和总结原因也不尽相同，促使工程设计者更加保守。其本质的原因还是对加筋土的机理认识不清。由于筋材多属柔性材料，作用于土体中监测难度大，而筋材在土体中的应力分布是认清加筋机理的重要基础。
受原型尺寸的限制，开展足尺模型面临施工周期长，建设投资大，且项目本身不可控因素多。对此，模型试验就凸显其独特的优势。模型试验较原型试验周期短，造价低，可采取单一变量法对不同试验参数进行研究。因此，采用模型试验是研究加筋机理的重要手段，而模型试验筋材应力的测量则成为模型试验成功与否的关键所在。
中国发明专利“利用光纤光栅测量土工格栅变形和受力的方法”(申请号：201010237688.7)采用结构胶和捆扎方式将应变传感光纤与被测土工格栅的经栅或纬栅连接在一起测量筋材变形和内力；
中国发明专利“一种土工格栅应变片辅助粘贴装置及其操作方法”(申请号：201710396946.8)发明一种便于应变片粘贴装置，通过在土工格栅表面粘贴应变片的方式测量筋材变形；
中国发明专利“一种模型试验中土工格栅应变量测装置及量测方法”(申请号：201510627033.3)，采用不锈钢弦绑扎与模型土工格栅，通过与不锈钢弦连接的位移计测量土工格栅应变；
中国发明专利“一种土工格栅应变测试装置及其测试方法”(申请号：201010124517.3)利用导电橡胶复合材料的拉敏性对土工格栅应变进行测试，通过测试此电阻变化便可得到土工格栅的应变；
中国发明专利“一种传感型土工格栅材料及其结构”(申请号：201510814524.9)提出了一种高强度、高摩阻的传感型土工格栅的制作方法，利用导电高分子复合材料的拉敏效应检测格栅自身的电阻变化获取格栅及加固体的变形；
中国发明专利“光纤光栅复合涤纶土工格栅及其制备方法”(申请号：201310434187.1)将光纤布拉格光栅和复合增强标识纱与经纱和纬纱形成层间稳定的复合结构，通过聚合物涂层处理制得光纤光栅复合涤纶土工格栅测量出土工格栅的形变。
上述已有的技术方案主要针对原型土工土工格栅，同时多采用将光栅、应变片或钢弦固定于土工格栅表面，采用捆绑式误差较大，同时受筋-土界面的相互作用影响，误差较大。
本申请的发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：随着光纤传导技术和3D打印技术的日趋成熟，采用原型格栅材料利用3D打印机打印模型格栅，并将光纤光栅封装与模型格栅中，不仅可以正确模拟原型加筋土结构中筋-土间相互作用，且可以准确测量模型筋材内力，为优化加筋土结构设计提供重要的推动作用。因此，针对目前模型土工合成材料筋材应变的测量技术的不足与缺陷，利用3D打印技术，开发一种高效打印、完整封装、准确测量模型土工格栅变形及内力的技术，具有重要的理论与应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足和缺陷，提出一种基于3D打印制备光纤光栅模型土工格栅的装置及方法，通过3D打印技术将光纤光栅封装于模型土工格栅内部，解决了加筋土结构模型试验中筋材应力的测量问题，实现了模型土工材料的变形及内力精确测量。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于3D打印制备光纤光栅模型土工格栅的装置，包括计算机系统和模型土工格栅打印设备，所述模型土工格栅打印设备包括打印机机架、安装于打印机机架的土工格栅原料供应组件、喷头移动组件、设于土工格栅原料供应组件端头的喷头、设于喷头下方的打印平台、喷头移动组件；
所述土工格栅原料供应组件，用于提供模型土工格栅原料；
所述喷头，用于将土工格栅原料供应组件提供的土工格栅原料喷出；
所述打印平台，用于承接喷头喷出的土工格栅原料以形成模型土工格栅；
所述喷头移动组件，用于在计算机系统控制下驱动喷头在X轴和Z轴方向移动；
所述打印平台移动组件，用于在计算机系统控制下驱动打印平台在Y轴方向移动；
所述计算机系统，用于预先设计模型土工格栅的三维立体模型，并根据三维立体模型控制喷头移动组件和喷头移动组件调整所述喷头与打印平台的相对高度和位置。
进一步的，所述土工格栅原料供应组件包括储料槽、输料管、料浆泵，所述储料槽固定于打印机架，用于盛放模型土工格栅原料；储料槽出口经输料管连接料浆泵，料浆泵的下方连接喷头。
进一步的，料浆泵设置有加热装置，所述加热装置用于输出加热后的土工格栅原料。
进一步的，所述喷头移动组件包括X轴电机、X轴滑轨、Z轴电机、Z轴滑轨，一对Z轴滑轨上下两端分别固定于打印机机架上，X轴滑轨两端固定于Z轴滑轨的Z轴移动部件上，Z轴电机驱动Z轴移动部件沿着Z轴滑轨上下移动，X轴滑轨随着Z轴移动部件在Z轴滑轨的上下移动而移动。
进一步的，所述打印平台移动组件包括Y轴电机、Y轴滑轨，Y轴滑轨固定于打印机机架下部位置，打印平台固定于Y轴滑轨的支座上，Y轴电机驱动支座沿着Y轴滑轨前后移动，进而带动打印平台沿Y轴滑轨前后移动。
进一步的，喷头固定在X轴滑轨上，由X轴电机控制沿X轴滑轨进行左右移动，并随着Z轴电机控制进行上下移动，伴随打印平台移动组件控制打印平台沿Y轴的前后移动实现3D打印效果。
一种基于3D打印制备光纤光栅模型土工格栅的方法，其采用上述装置进行，所述方法包括以下步骤：
(1)利用计算机系统中安装的三维制图软件设计模型土工格栅的三维立体模型以及在土体中的铺设方式；
(2)将土工格栅原料装入工格栅原料供应组件中的储料槽中，打开输料泵，土工格栅原料经输料管输送至喷头，调节储料槽的出料速度，打开所述工格栅原料供应组件的输料泵中的加热装置，调节原材料熔融温度；
(3)根据计算机系统中预先设定的模型土工格栅的三维立体模型，控制喷头移动组件和喷头移动组件调整所述喷头与打印平台的相对高度和位置，模型土工格栅打印设备开始打印模型土工格栅；
(4)格栅埋设：在进行模型土工格栅打印过程中，格栅共分上下两层打印，首先对模型格栅下层打印，打印时预留凹槽，待下层模型格栅温度降低至40～80℃时在预留的凹槽中植入光纤光栅传感器，埋设完成后，再进行上层模型格栅打印，打印完成后施加压力为2kpa～35kpa的上覆压力于封装完成的模型格栅上，使模型格栅与光纤光栅传感器粘接充分，完成光纤光栅的内部嵌入过程。
进一步的，步骤(2)中调节储料槽的出料速度为360～720r/min，调节原材料熔融温度为220～480℃。
进一步的，土工格栅原料为聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚酰胺(PER)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚乙烯(CPE)、聚苯乙烯(EPS)中的一种或其混合。
进一步的，还包括步骤：
(5)模型试验：模型土工格栅打印完成后，将模型土工格栅预埋在土或碎石层中，模型土工格栅按一定间距上下平铺，将光纤光栅传感器连接至光纤光栅采集系统，开展相关的模型试验，监测外荷载作用下模型土工格栅内力和应变。
本发明中具有以下优点：
1、采用3D打印技术，不受模型土工格栅的形状的限制，采用土工格栅原料，打印出的模型土工格栅与原型格栅抗拉强度、延伸率、筋土界面摩擦系数高度相似；
2、采用3D打印技术可以在模型格栅打印过程中将光纤光栅完整的封装于格栅中，格栅与光纤光栅粘接性能优良，同时筋土界面接触特性不受影响；
3、采用封装于模型土工格栅内部的光纤光栅测量试验过程中筋材变形及内力，测量精度高、误差小。
附图说明
图1为本发明基于3D打印制备光纤光栅模型土工格栅的装置其中一个实施例的结构示意图；
图2为本发明中光纤光栅采集系统的结构示意图；
图3为利用本发明打印的双向土工土工格栅的示意图；
图4为利用本发明打印的三向土工格栅的示意图；
图5为利用本发明打印的单向土工格栅的示意图。
图中：1—打印机机架，2—打印平台，3—储料槽，4—输料管，5—X轴电机，6—Z轴滑轨，7—Y轴电机，8—Y轴滑轨，9—Z轴电机，10—X轴滑轨，11—料浆泵，12—喷头，13—模型土工格栅，14—光纤光栅传感器，15—计算机系统，16—光纤数据线，17—光纤光栅采集系统，18—双向格栅，19—三向格栅，20—单向格栅。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明基于3D打印制备光纤光栅模型土工格栅的装置其中一个实施例，包括计算机系统15和模型土工格栅打印设备，
所述模型土工格栅打印设备包括打印机机架1、安装于打印机机架1的土工格栅原料供应组件、喷头移动组件、设于土工格栅原料供应组件端头的喷头12、设于喷头12下方的打印平台2、喷头移动组件；
所述土工格栅原料供应组件，用于提供模型土工格栅原料，所述模型土工格栅原料为土工合成材料聚合物粉末或微颗粒，主要有聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚酰胺(PER)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚乙烯(CPE)、聚苯乙烯(EPS)等；
所述喷头12，用于将土工格栅原料供应组件提供的土工格栅原料喷出；
所述打印平台2，用于承接喷头12喷出的土工格栅原料以形成模型土工格栅13；
所述喷头移动组件，用于在计算机系统15控制下驱动喷头12在X轴和Z轴方向移动；
所述打印平台移动组件，用于在计算机系统15控制下驱动打印平台2在Y轴方向移动；
所述计算机系统15，用于预先设计模型土工格栅的三维立体模型，并根据三维立体模型控制喷头移动组件和喷头移动组件调整所述喷头12与打印平台2的相对高度和位置。
所述土工格栅原料供应组件，包括储料槽3、输料管4、料浆泵11，所述储料槽3固定于打印机架1后方，储料槽3的上部开口、四周密封，底部可密封也可开启，用于盛放模型土工格栅原料。储料槽3出口经输料管4连接料浆泵11，料浆泵11设置有加热装置，下方连接喷头12，所述加热装置用于输出加热后的土工格栅原料。
所述喷头移动组件，包括X轴电机5、X轴滑轨10、Z轴电机9、Z轴滑轨6，一对Z轴滑轨6上下两端分别固定于打印机机架1上，X轴滑轨10两端固定于Z轴滑轨6的Z轴移动部件上，Z轴电机9驱动Z轴移动部件沿着Z轴滑轨6上下移动，X轴滑轨10随着Z轴移动部件在Z轴滑轨6的上下移动而移动；
所述打印平台移动组件包括Y轴电机7、Y轴滑轨8，Y轴滑轨8固定于打印机机架1下部位置，打印平台2固定于Y轴滑轨8的支座上，Y轴电机7驱动支座沿着Y轴滑轨8前后移动，进而带动打印平台2沿Y轴滑轨8前后移动。
料浆泵11和喷头12固定在X轴滑轨10上，可由X轴电机5控制沿X轴滑轨10进行左右移动，并随着Z轴电机9控制进行上下移动，伴随打印平台移动组件控制打印平台2沿Y轴的前后移动实现3D打印效果。
X轴电机5、Y轴电机7、Z轴电机9、料浆泵11、料浆泵11中的加热装置均与计算机系统15连接。
本实施例中，X轴滑轨6、Y轴滑轨8、Z轴滑轨10的材料为钢材或铝合金，长度为0.3～1.5m，直径为3～5mm。
本发明实施例还提供了一种基于3D打印制备光纤光栅模型土工格栅的方法，其采用上述装置进行打印施工，所述方法包括以下步骤：
(1)利用计算机系统15中安装的三维制图软件设计模型土工格栅的三维立体模型(形状和尺寸等)以及在土体中的铺设方式；所述三维制图软件包括3Dmax、AutoCAD、UG、ProE或Solidworks等；所述模型土工格栅，其形状可以为图3-5所示的式样，也可以为各种多边形，格栅长度可设计为100～1000mm；
(2)将土工格栅原料装入工格栅原料供应组件中的储料槽3中，打开输料泵11，土工格栅原料经输料管4输送至喷头12，调节储料槽的出料速度为360～720r/min，打开所述工格栅原料供应组件的输料泵11中的加热装置，调节原材料熔融温度为220～480℃；土工格栅原料为聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚酰胺(PER)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚乙烯(CPE)、聚苯乙烯(EPS)中的一种或其混合；模型格栅覆土可为碎石、砂土、黏土等材料，级配为良好或不良；
(3)根据计算机系统15中预先设定的模型土工格栅的三维立体模型，控制喷头移动组件和喷头移动组件调整所述喷头12与打印平台2的相对高度和位置，将喷头12的位置调整到高于打印平台2的上方0.01～0.2m处(本实施例为0.05m)，通过阀门调节至需要的速度，模型土工格栅打印设备开始打印模型土工格栅；
(4)格栅埋设：在进行模型土工格栅打印过程中，格栅共分上下两层打印，首先对模型格栅下层打印，打印时预留0.5～5mm凹槽，待下层模型格栅温度降低至40～80℃时在预留的凹槽中植入光纤光栅传感器14(直径为0.5～5mm)，埋设完成后，再进行上层模型格栅打印，打印完成后施加压力为2kpa～35kpa的上覆压力于封装完成的模型格栅上，使模型格栅与光纤光栅传感器14粘接充分，完成光纤光栅的内部嵌入过程；
(5)模型试验：模型土工格栅打印完成后，将模型土工格栅预埋在土或碎石层中，模型土工格栅按一定间距上下平铺，将光纤光栅传感器14连接至光纤光栅采集系统17(如图2所述)，开展相关的模型试验，监测外荷载作用下模型土工格栅内力和应变，外荷载包括集中荷载、面荷载、离心力作用和地震作用等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。