3D打印光弹性材料及模拟加载后褶曲应力分布的方法与流程

本发明涉及一种3D光弹性实验试件的制备方式，尤其是涉及一种3D打印光弹性材料及模拟加载后褶曲应力分布的方法。

背景技术：

自大卫·布儒斯特于十八世纪发现了透明介质在应力作用下具有暂时双折射现象以来，经过了这200年的发展，光测弹性力学现已相当完善，成为了一种非常有效的力学分析手段。该方法是一种全场应力测量法，具有直观性强、可靠性高等特点，对分析复杂构件应力场尤为有利，在建筑、机械等领域得到广泛应用。

褶皱是地壳中的一种十分常见的地质构造，其形成原因主要是因为地球地壳运动所引起的地应力使岩石发生永久性弯曲变形，其基本单位为褶曲，即褶皱变形岩层中的一个弯曲。现已有很多文献都表明褶皱处的复杂应力场可能会导致煤与瓦斯突出现象，从而导致煤矿突出事故。如果能通过光弹性材料制作出与褶曲相类似的结构，进而进行光弹性实验，利用如上所述的光弹性实验在测量应力上的种种优点测量出褶曲结构处的应力场分布情况，这对煤矿企业预防褶曲处的煤与瓦斯突出事故无疑起到了重要作用。

3D打印技术是以数字模型文件为基础,利用激光快速固化技术, 采用粉末状(或液态)光敏树脂、陶瓷等材料,以逐层喷涂，堆叠累积的方式来构造三维固体的技术，现已在非常多的行业中得以应用，并具有许多传统制造方法不可与之比拟的优点。对于光弹性试件的制作来说，由于传统的制作方法会使制作出来的试件中往往会含有残余应力，从而使对试件内的应力场分析不准确，而3D打印技术由于其与传统制作方法的不同，就可以极大地避免了试件中含有残余应力的问题，减小了实验的误差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种3D打印光弹性材料及模拟加载后褶曲应力分布的方法，用于研究褶皱褶曲部位的应力分布。

为了实现上述目的，一方面本发明提供一种3D打印光弹性材料，包括以胶连接的方式依次紧固连接的：第一试件层、第二试件层和第三试件层；

所述第一试件层、第二试件层及第三试件层的结构性能分别与岩石样本或煤样本相匹配；其中，所述匹配的判断标准为：将所述第一试件层、第二试件层及第三试件层的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和密度，与所述岩石样本或煤样本的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和密度作比，分别获得如下基础参数：

计算单轴抗压强度相近度、抗拉强度相近度、弹性模量相近度、泊松比相近度、密度相近度的平均值，将单轴抗压强度相近度、抗拉强度相近度、弹性模量相近度、泊松比相近度、密度相近度分别与所述均值作差，保留与所述均值差值最小的3个相近度数值作为甄选数值，若3个所述甄选数值彼此间的差值不超过20％，即能判定当前光弹性材料与所述岩石样本数据或煤样本数据最为接近，进而所述第一试件层、第二试件层及第三试件层的结构性能分别与岩石样本或煤样本相匹配。

为了实现上述目的，另一方面本发明还提供一种模拟加载后褶曲应力分布的方法，所述方法包括如下操作步骤：

对利用3D打印技术得到的不同成分类型的光弹性材料进行强度测试，并统计测试数据；所述测试数据的种类包括：单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和密度；

依照所述测试数据建立光弹性材料的特征数据库；

分别测试当前岩石样本和煤样本的：单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和密度，获得当前岩石样本数据及煤样本数据；

在所述特征数据库内挑选出分别与所述岩石样本数据和煤样本数据最为接近的光弹性材料，分别作为岩石模拟光弹性材料及煤样模拟光弹性材料；

采用3D打印技术将岩石模拟光弹性材料分别打印成与褶皱部位的上层和下层结构相一致的外形，进而得到第一试样层和第三试样层；将煤样模拟光弹性材料打印成与褶皱部位中层结构相一致的外形，进而得到第二试样层；所述第二试样层的褶曲翼间角为30°、60°、 90°、120°、150°中的一种；

将所述第一试样层、第二试样层和第三试样层以胶粘的方式紧固连接，获得用于模拟由岩层和煤层形成的褶皱的3D打印光弹性材料；

采用光弹性测量方法测试所述3D打印光弹性材料在褶曲处的应力场。

优选地，所述3D打印光弹性材料的外形为长度为8cm，宽度为 0.6cm，高度为2cm的长方体。

优选地，所述光弹性测量方法包括：

将所述3D打印光弹性材料放入光弹仪中的压力机内，并将载荷加载方式设定为水平左右加载或上下加载；

打开光弹仪光源，调整光弹仪中的光学器件完成测量并获得光弹图像；

采用光弹性应力分析方法获得褶曲应力分布。

本发明利用3D打印技术，以对地质构造中常见的褶曲结构实现应力场分析，进而对煤矿中常见的煤与瓦斯突出事故进行预测与预防为目的，事先利用与3D打印机相配套的软件设计出褶曲翼间角分别为30°、60°、90°、120°、150°共五种类型的3D打印光弹性材料、用于模拟上、下硬岩层的下半部分试件和与之配套的上半部分试件以及用于模拟软煤层的中间褶曲结构，从而使当上、中、下三层结构上下组合在一起时，能形成一个长度为8cm，宽度为8cm，厚度为 0.5cm的长方体试件；以光弹性材料为3D打印成型原料，并通过调配原料不同的单轴抗压强度、泊松比，从而使其可以模拟软煤层和硬岩层；试件制作并组合完成后，将其放入光弹仪中的压力机内，载荷加载方式为水平左右加载或上下加载，打开光弹仪光源，设置好光弹仪中相应的光学器件即可实现测量，之后根据所得的光弹图像，并利用光弹性应力分析的相关知识便可求得应力场的分布情况。

本发明利用光弹技术可以实现对地质构造中常见的褶曲结构实现应力场分析，所得结果准确、直观，实用价值较高。利用3D打印技术制作试件不仅准确、简便和灵活，还可以避免试件内由于制作过程而含有残余应力，提高实验的精确度，将由本发明所得到的褶曲应力场用于实际煤矿开采过程中，可以有效地起到煤矿井下褶曲处煤与瓦斯突出事故的预防作用，对煤矿企业实现安全生产起到了积极作用。

附图说明

图1为本发明实施例提出的3D打印光弹性褶曲试件的整体结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明实施例提出的3D打印光弹性褶曲试件的用于模拟硬岩层的上半部分试件结构示意图；

图4为本发明实施例提出的3D打印光弹性褶曲试件的用于模拟软煤层的中间部分试件结构示意图；

图5为本发明实施例提出的3D打印光弹性褶曲试件的用于模拟硬岩层的下半部分试件结构示意图；

示意图各部分标号说明：1-用于模拟硬岩层的上半部分试件；2- 用于模拟软煤层的中间部分试件；3-用于模拟硬岩层的下半部分试件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

需要说明的是，本发明下述实施例中所述褶曲翼间角为：图1中所示的角度θ，用于区分不同褶皱程度的岩石样本或煤样本。

本发明的一种基于光弹性材料探究地质结构中褶曲受力情况的方法，其较佳的具体实施方式如下：

本发明提供一种3D打印光弹性材料，包括以胶连接的方式依次紧固连接的：第一试件层、第二试件层和第三试件层；

所述第一试件层、第二试件层及第三试件层的结构性能分别与岩石样本或煤样本相匹配；其中，所述匹配的判断标准为：将所述第一试件层、第二试件层及第三试件层的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和密度，与所述岩石样本或煤样本的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和密度作比，分别获得如下基础参数：

计算单轴抗压强度相近度、抗拉强度相近度、弹性模量相近度、泊松比相近度、密度相近度的平均值，将单轴抗压强度相近度、抗拉强度相近度、弹性模量相近度、泊松比相近度、密度相近度分别与所述均值作差，保留与所述均值差值最小的3个相近度数值作为甄选数值，若3个所述甄选数值彼此间的差值不超过20％，既能判定当前光弹性材料与所述岩石样本数据或煤样本数据最为接近，进而所述第一试件层、第二试件层及第三试件层的结构性能分别与岩石样本或煤样本相匹配。

本发明还提供一种模拟加载后褶曲应力分布的方法，所述方法包括如下操作步骤：

对利用3D打印技术得到的不同成分类型的光弹性材料进行强度测试，并统计测试数据；所述测试数据的种类包括：单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和密度；

依照所述测试数据建立光弹性材料的特征数据库；

分别测试当前岩石样本和煤样本的：单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和密度，获得当前岩石样本数据及煤样本数据；

在所述特征数据库内挑选出分别与所述岩石样本数据和煤样本数据最为接近的光弹性材料，分别作为岩石模拟光弹性材料及煤样模拟光弹性材料；

采用3D打印技术将岩石模拟光弹性材料分别打印成与褶皱部位的上层和下层结构相一致的外形，进而得到第一试样层和第三试样层；将煤样模拟光弹性材料打印成与褶皱部位中层结构相一致的外形，进而得到第二试样层；所述第二试样层的褶曲翼间角为30°、60°、 90°、120°、150°中的一种；

将所述第一试样层、第二试样层和第三试样层以胶粘的方式紧固连接，获得用于模拟由岩层和煤层形成的褶皱的3D打印光弹性材料；

采用光弹性测量方法测试所述3D打印光弹性材料在褶曲处的应力场。

优选地，所述3D打印光弹性材料的外形为长度为8cm，宽度为 0.6cm，高度为2cm的长方体。需要说明的是，所述3D打印光弹性材料的外形尺寸包括但不限于上述尺寸，上述外形尺寸可依据实验需要及光弹仪夹持装置的结构而作出灵活的调整。

优选地，所述光弹性测量方法包括：

将所述3D打印光弹性材料放入光弹仪中的压力机内，并将载荷加载方式设定为水平左右加载或上下加载；

打开光弹仪光源，调整光弹仪中的光学器件完成测量并获得光弹图像；

采用光弹性应力分析方法获得褶曲应力分布。需要说明的是，上述光弹性应力分析方法为现有技术，故其详细分析细节在此不再进一步赘述。

如图1～图4所示，首先利用3D打印设计软件分别设计出用于模拟硬岩层的上半部分试件1、用于模拟软煤层的中间部分试件2以及用于模拟硬岩层的下半部分试件3，并且当1、2、3三层结构上下粘合在一起时，能形成一个长度为8cm，宽度为8cm，厚度为0.5cm 的长方体试件，即如图1所示。而图1中的角度θ即表示褶皱的翼间角，在本发明中可分别取30°、60°、90°、120°、150°五个角度进行研究。

需要说明的是，长方体试件具体尺寸可根据需求和光弹仪夹持设备范围进行调整，如：某光弹仪所配套夹持器适合的试件长度为8cm 左右，宽度为0.6cm左右，高度为2cm左右。其中煤层、两侧岩层厚度各占整个试件宽度的1/3。

事先测试不同成分配比的光弹性材料，从而找到与所要研究的煤和岩石的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等参数最接近的两种成分配比的光弹性材料作为3D打印的两种原料，并利用3D打印设备分别打印出用于模拟硬岩层的上半部分试件1、用于模拟软煤层的中间部分试件2以及用于模拟硬岩层的下半部分试件3。

其中，根据研究对象(煤或岩石)的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、密度等参数来选择相应的光弹性材料，

根据相似理论，理想状态下，当K煤₁≈K煤₂≈K煤₃≈K煤₄≈ K煤₅时，选择该光弹性材料模拟该类型的煤。但有时受材料限制，当 5个参数中的任意3个满足该等式，其比值相差不超过20％时，即认为该光弹性材料可以用于模拟该类型的煤。选择岩层相应光弹性材料的过程与煤类似。而后用与岩石的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比最接近的光弹性材料打印试件1和3，用与煤的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比最接近的光弹性材料打印试件2。

在打印完成之后，将试件1、2、3三部分上下粘合起来即形成如图1所示的整体试件结构，将其放入光弹仪中的压力机内，载荷加载方式为水平或垂直加载，打开光弹仪光源，设置好光弹仪中相应的光学器件即可实现测量，之后根据所得的光弹图像，并利用光弹性应力分析的相关知识便可求得应力场的分布情况。光弹仪夹持试件的装置可以360°旋转，应力加载方向为水平、垂直或其余特定的方向，可根据实验选择夹持试件方式(长边方向、短边方向或异形试件的特定角度均可)。试件夹持固定后可加载应力，加载应力后需在加载状态下静置24小时，待稳定后方可开始观察其光弹图像。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求的保护范围内。