用于不同倾角地层三维重构的相似模型成型系统与方法与流程

本发明属于模拟试验设备领域，具体涉及一种用于不同倾角地层三维重构的相似模型成型系统与方法。

背景技术：

1、我国已成为世界上地下工程修建规模与难度最大的国家，越来越多的地下工程面临着深部高应力、富水含气等复杂条件，其失稳机理与安全防控已成为研究难点和热点。面对深部复杂地下工程的非线性破坏或动力灾害，物理模拟相似模型是重要有效的科学研究手段。物理模型试验是基于相似原理采用缩尺模型在实验室内模拟工程地质条件和施工过程的模拟实验，考虑了工程岩体和尺寸效应。物理模型试验具有形象、直观、真实的优越性，被国内外岩土工程界广泛重视和应用。物理模拟试验具有方便、快捷、可重复的优势。为了更准确获取物理模拟试验数据，必须尽可能提高模拟试验与现场的相似性。

2、目前，相似材料模型一般为手工制作，精度和强度低，制作工艺复杂、周期长，不能定量控制试验模型的各种物理力学参数，尤其对复杂地质条件以及大型试验模型的制作，传统手工制作方法劣势更加明显。近年来，3d打印技术已经开始应用于物理模拟相似模型试验领域，目前已研发多种应用3d打印技术的物理模拟试验装置，例如：

3、中国专利cn201810835969.9发明了一种相似模拟砂型3d打印装置，该装置包括打印喷嘴部、材料挤出部、升降砂箱、压实部、控制部，可将料仓内的材料经输料管、打印喷嘴部及材料挤出部，打印到升降砂箱上，并可利用压实部对模型进行压实，整个过程通过控制部进行控制。该装置打印精度高，并且能进行二维打印也能进行三维打印。但是本装置仅能对相似材料组分进行简单混合，不适用于严格满足相似准则研发的复杂相似材料的制作；试验过程中该装置缓慢挤出相似材料，效率较低，不适用于大尺度相似模型及工程尺度模型的制作，具有一定的局限性。

4、中国专利cn201510374179.1发明了一种3d打印物理相似模拟模型实验台及应用方法，该实验台，包括构模机构、3d打印机构、加压开挖机构、监测机构。通过构模机构构建模型模具，利用3d打印机构进行模型铺设，通过加压开挖机构进行物理相似模拟实验，最后在监测机构作用下进行模型应力应变及破坏情况的监测记录，最终在高效配合下，实现不同地质条件下尤其是复杂地质构造下施工过程的模拟，达到精确高效构建所需尺寸及地质条件的物理模型并进行可视化实验的目的。然而，该实验台同样需要人为称量、配制相似材料，整个试验过程依然需要大量人力，且机构复杂，无法对试验模型进行压实处理，制作的试验模型强度较低。

5、中国专利cn201510475636.6发明了基于3d打印快速成型技术的相似模拟实验系统及实验方法，该试验系统的配料模块通过打印铺料模块连接实验模块，控制模块分别连接并控制配料模块、打印铺料模块和实验模块。控制模块形成相似模拟实验的三维数字模型，控制模块控制实验模块调整到适合打印三维数字模型的状态，并通过电磁阀控制配料模块的配料比，通过方向控制机构及换向阀控制打印铺料模块在实验模块进行三维立体铺料。但是，该试验系统更适用制作二维模型，整体输料管路效率较低，不适用于大型模型的制作，且无法在相似材料铺设过后，快速完成相似材料压实。

6、东北大学博士论文“岩体三维物理模型3d打印技术研发及应用”研发了试样尺度模型3d打印工艺测试平台，并提出了试样尺度模型的3d打印成型方法，实现了多种巷道、断层等工程与地质结构物理模型的3d打印制作，但是适用的试验模型尺寸较小，模型打印效率较低。

7、武汉大学博士论文“基于3d打印技术和fdem数值模拟的层状岩体力学特性研究”提出一种可提高粉末黏结型3d打印试样强度和脆性的方法，并采用3d打印技术模拟了层状岩石材料抗拉强度、抗压强度和弹性模量的尺寸效应，但是只适用于试件尺度。

8、综上所述，现有用于不同倾角地层三维重构的相似模型智能成型系统与方法存在以下不足：

9、(1)没有形成完整的全过程机械化试验系统，很大程度上需要人为干预完成模型制作；

10、(2)可适用的试验模型尺寸较小，制作的模型多是试件尺度；

11、(3)仅适用于流动性较好的膏状材料，且模型制作效率与精度较低；

12、(4)只能简单堆积成型，参数不可控，无法兼顾试验模型的强度、密度等物理力学参数；

13、(5)无法制作含有倾斜岩层的试验模型，适用性较差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种用于不同倾角地层三维重构的相似模型成型系统与方法，本发明形成了完整的全过程机械化物理模拟试验系统，实现了从相似材料配制、三维定点输送到试验模型三维重构的全过程机械化操作，大幅提升试验精度与可重复性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于不同倾角地层三维重构的相似模型成型系统，包括三维移动框架，所述三维移动框架包括主体框架、三维移动导轨和三维动力机构，所述主体框架包括竖梁和横梁，所述横梁设置有两条，两条横梁平行布置，所述横梁滑动设置在实验平台主体台架前后反力框架顶部，所述竖梁安装于两条横梁之间，所述竖梁滑动设置在横梁上，所述三维移动导轨分别设置在实验平台主体台架前后反力框架、竖梁和横梁上，用于驱动竖梁和横梁的移动，所述三维动力机构用于提供驱动竖梁和横梁移动的动力；

3、伸缩下料机构，所述伸缩下料机构包括伸缩动力机构、螺旋下料机构、伸缩套管和阻断气动卡套，所述伸缩动力机构和螺旋下料机构均设置在下料板上，所述下料板通过驱动机构滑动设置在横梁上，所述伸缩动力机构设置在螺旋下料机构的一侧，所述螺旋下料机构内部为螺旋结构，所述伸缩套管设置在螺旋下料机构的外侧，所述伸缩套管与伸缩动力机构驱动连接，所述阻断气动卡套设置在伸缩下料机构上，用于快速停止材料向下输送；

4、相似材料自动配送系统，所述相似材料自动配送系统与伸缩下料机构相连通，用来实现试验模型相似材料各组分的存储、称量、配制、输送、加水和搅拌相似材料制作过程；

5、动静复合加载压实机构，所述动静复合加载压实机构设置在竖梁的底端，用于不同位置和倾角的模型压实要求。

6、进一步的，所述三维移动导轨分为x轴移动导轨、y轴移动导轨和z轴移动导轨，所述x轴移动导轨布置在实验平台主体台架前后反力梁顶部，为卡槽式导轨，使横梁能够沿x轴移动导轨方向移动，x轴移动导轨与横梁之间设置卡扣，防止二者错位滑移，为实现模型端部制作，x轴移动导轨设置为长于模型尺寸，方便在模型端部下料和压实，所述y轴移动导轨设置在两条横梁内侧的水平方向，导轨另一侧与竖梁相连接，能够使竖梁沿水平方向移动，所述z轴移动导轨设置在竖梁外侧与横梁相交的面上，能够使竖梁在竖直方向上移动。

7、进一步的，还包括翻转机构，所述翻转机构设置在实验平台主体台架前后反力梁的侧面，并与两条所述x轴移动导轨的两端铰接，用于x轴移动导轨的翻转，能够在模型铺设结束后，将x轴移动导轨从实验平台主体台架前后反力梁顶部向外向下翻转至实验平台主体台架前后反力梁的一侧，以便让出空间用于安装其他加载顶梁。

8、进一步的，所述动静复合加载压实机构包括静载机构、动载机构、倾斜机构和旋转机构，所述旋转机构设置在纵梁的底部，所述静载机构安装在旋转机构的输出端，所述倾斜机构设置在静载机构内部，所述动载机构设置在静载机构的底端。

9、进一步的，所述旋转机构包括旋转电机、减速机、涡轮机构和旋转底座，所述旋转电机、减速机、涡轮机构均安装在竖梁的底端，通过旋转电机及减速机带动涡轮机构旋转，所述旋转底座安装在涡轮机构的输出轴上，通过涡轮机构带动旋转底座旋转。

10、进一步的，所述静载机构包括静载油缸、上压板、导向杆和下压板，静载油缸底座通过螺栓安装于旋转底座，静载油缸朝向模型制作空间，静载油缸顶部通过倾斜机构与上压板连接，所述下压板布置于上压板底部，二者通过导向杆连接，所述导向杆穿过上压板螺栓孔，并相对于上压板活动连接。

11、进一步的，所述动载机构包括振动电机和振动弹簧，所述振动电机布置于上压板和下压板之间，并通过螺栓固定于下压板，所述振动弹簧套装在导向杆上，既能传递来自上压板的静态荷载，又能使下压板在振动电机的带动下振动。

12、进一步的，所述倾斜机构包括倾斜油缸、导向杆、支座及球铰机构，所述球铰机构布置在上压板上，所述静载油缸的输出轴与球铰机构中的万向球固定连接，所述旋转机构和上压板上均布置有支座，所述倾斜油缸布置在静载油缸的一侧，所述倾斜油缸的上下两端均铰接在支座上，所述导向杆设置在静载油缸的另一侧，用于倾斜导向，所述导向杆的上下两端均铰接在支座上。

13、进一步的，所述支座与旋转底座、上压板接触面均布置旋转轴承，用于与旋转机构配合实现整体旋转，实现上压板和下压板不同角度倾斜。

14、一种用于不同倾角地层三维重构的相似模型成型系统的试验方法，包括以下步骤：

15、s01.利用相似材料自动配制系统机械化自动配制多组分相似材料；

16、s02.通过伸缩下料机构在三维移动框架的带动下将配制好的相似材料输送至三维指定位置；

17、s03.通过动静复合加载压实机构将相似材料定点压实；

18、s04.材料压实过程通过控制荷载的频率和振幅控制模型的强度、弹性模量物理力学参数；

19、s05.通过三维移动框架控制动静复合加载压实机构的压实位置，适应不同位置模型材料动静复合压实的要求；

20、s06.随着模型铺设过程，通过伸缩下料机构的伸缩实现不同高度位置的下料；

21、s07.分层依次铺设模型，直至模型铺设完成。

22、本发明的有益效果为：

23、(1)通过相似材料自动配送系统、伸缩下料机构、三维移动框架、动静复合加载压实机构耦合集成，形成了完整的全过程机械化物理模拟试验系统，实现了从相似材料配制、三维定点输送到试验模型三维重构的全过程机械化操作，改善以往模型试验过程中脏乱的不良现象，且大大提升了物理模拟试验的精度与可重复性；

24、(2)通过研发大刚度、大功率的三维移动框架实现了大尺度试验模型的三维重构，将3d打印技术的应用领域扩展到了大型物理模拟试验的准工程尺度；

25、(3)通过研发机械化伸缩下料机构及三维移动框架实现了物理模拟试验中常用粉体材料的高效三维定点输送；

26、(4)通过研发三维移动框架及动静复合加载压实机构实现了大尺度试验模型高效三维定点重构，并可通过调整动静复合压实机构的压力、振动幅值及频率等参数，精准控制试验模型的强度、密度、弹性模量等物理力学参数；

27、(5)通过研发动静复合加载压实机构实现了含倾斜岩层试验模型的精准制作，并可在模型制作过程刮平试验模型，适用不同地质条件的模拟要求。