| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; |
| 专利有效性 | 公开 | 当前状态 | 公开 |
| 申请号 | CN202510285331.2 | 申请日 | 2025-03-11 |
| 公开(公告)号 | CN119897945A | 公开(公告)日 | 2025-04-29 |
| 申请人 | 广东石油化工学院; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 陆征然; 郭超; 权长青; 杨博; | 第一发明人 | 陆征然 |
| 权利人 | 广东石油化工学院 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 广东石油化工学院 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：广东省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：广东省茂名市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：广东省茂名市官渡二路139号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：525000 |
| 主IPC国际分类 | B28B21/58 | 所有IPC国际分类 | B28B21/58 ; B28B1/00 ; B28B17/00 ; B33Y10/00 ; B33Y50/00 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 8 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 大连智高专利事务所 | 专利代理人 | 张茂胜; |
| 摘要 | 本 发明 涉及基于3D打印与磁热熔技术的带有 缺陷 钢 管 混凝土 构件的制造方法，属于 增材制造 技术领域。具体包括：提取服役期内的钢管混凝土构件的脱空缺陷以及裂缝的信息并生成图像；将图像转换成三维数字模型；利用3D打印技术，采用磁热熔胶材料打印出实体主骨架与空心副体；分别将实体主骨架、空心副体固定在钢管内部相应 位置 ；将混凝土填充至钢管内；待混凝土达到一定强度后在钢管外周施加交变 磁场 ， 熔化 实体主骨架与空心副体，从而获得带有脱空缺陷以及裂缝的钢管混凝土构件。其目的在于，还原实际服役的钢管混凝土构件内部脱空缺陷及裂缝，制作接近实际工程中的构件，反映目前处于服役期的钢管混凝土结构真实性能。 | ||
| 权利要求 | 1.基于3D打印与磁热熔技术的带有缺陷钢管混凝土构件的制造方法，其特征在于，具体包括： |
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| 说明书全文 | 基于3D打印与磁热熔技术的带有缺陷钢管混凝土构件的制造方法 技术领域背景技术[0003] 钢管混凝土构件在制备、施工、服役的过程中，不可避免地会产生各种类型的脱空缺陷，阻碍钢‑混界面处应力的有效传递。脱空缺陷是指混凝土结构内部存在的空洞或空隙，这种缺陷通常由于混凝土浇筑、养护或使用过程中的问题导致。如施工期间，由于泵送混凝土无法振捣，在钢‑混界面产生离析和气孔，形成界面斑状脱空；在钢管混凝土拱桥施工中，拱顶水平部位处，混凝土发生流动，易产生冠状脱空；受混凝土制备工艺的限制，早期年代建造的、未采用自密实微膨胀混凝土的构件，经过长时间服役，混凝土内部裂缝遍布，发育严重，尤其是老、旧大直径钢管混凝土构件。并且，在长期的服役过程中，上述缺陷、裂缝不断发展、劣化，严重降低结构的承载力、刚度和延性，增加结构在动载、腐蚀、高温等条件下的损伤风险，最终形成控制钢管混凝土结构体系舒适性、安全性的决定因素。 [0004] 现有技术中，2023年广西大学的覃成金发表了一篇硕士论文：钢‑混凝土组合结构界面脱空缺陷无损检测研究，采用合成孔径聚焦成像技术(SAFT)和压电陶瓷测试技术对钢‑混凝土组合结构(钢管混凝土结构和钢‑混凝土组合板)界面脱空缺陷进行无损、定量、直观检测。压电陶瓷测试技术可大致判断脱空缺陷的长度，而SAFT可识别缺陷的厚度，因此建议二者相结合用于钢管混凝土以获取脱空缺陷的全面特征。目前，针对带脱空缺陷及裂缝的钢管混凝土研究较少，采用的试验构件也是实验室制作的完好构件或是采用设置隔板、填充泡沫等措施简要模拟部分缺陷的构件，其试验结果不能全面、细致地反映目前处于服役期的钢管混凝土结构真实性能。 [0005] 如何定量判断构件内缺陷及裂缝的位置、范围、分布情况、反演并构建出与真实构件具有相同缺陷及裂缝参数的钢管混凝土构件并进行承载性能试验，是对现有老、旧钢‑混凝土组合结构服役承载性能评估的重要条件。传统做法是对现有处于服役期内的钢管混凝土构件进行钻孔取芯，测试其结构性能，但此种做法会对现有结构造成一定损伤，并且，为了不进一步降低服役结构的性能，只能进行小尺寸的局部取样，因此，试验结果并不能全面反映整个构件或结构。 发明内容[0006] 本发明提供一种基于3D打印与磁热熔技术的带有缺陷钢管混凝土构件的制造方法，其目的在于还原实际服役的钢管混凝土构件内部脱空缺陷及裂缝，制作接近实际工程中的构件。通过对其进行不同加载条件下的试验研究，全面、细致地反映目前处于服役期的钢管混凝土结构真实性能。 [0007] 该方法利用超声阵列无损检测技术，对实际工程中的老、旧钢管混凝土缺陷及裂缝分布进行检测，并通过三维逆向重构技术实现检测数据的定量可视化，获得各种脱空缺陷及混凝土内部裂缝种类、尺度、分布的物理几何特征，利用磁热熔胶还原上述缺陷及裂缝。采用3D打印技术分别打印磁热熔胶及混凝土，制作成相应的缩尺或原型钢管混凝土试验构件，并进行相应荷载工况下的构件试验，方便研究带缺陷及裂缝的钢管混凝土结构力学性能并指导现有结构的服役承载性能评估。 [0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种基于3D打印与磁热熔技术的带有缺陷钢管混凝土构件的制造方法，具体包括： [0009] 步骤1，提取服役期内的钢管混凝土构件的脱空缺陷以及裂缝的信息并生成图像； [0010] 步骤2，利用三维逆向重构技术将图像转换成三维数字模型； [0011] 步骤3，利用3D打印技术，采用磁热熔胶材料打印出三维数字模型中与裂缝外形一致的实体主骨架以及与脱空缺陷外形一致的空心副体； [0012] 步骤4，按照裂缝、脱空缺陷在三维数字模型中的分布位置，分别将实体主骨架、空心副体固定在钢管内部相应位置； [0013] 步骤5，采用3D打印技术将混凝土填充至钢管、实体主骨架以及空心副体之间的空隙内； [0015] 进一步地，所述提取服役期内的钢管混凝土构件的脱空缺陷以及裂缝的信息并生成图像具体为采用超声波检测仪，对实际工程结构中钢管混凝土构件进行超声波无损检测，测定钢管混凝土构件中缺陷最严重区域的波速变化规律，在无损条件下标定各种缺陷在钢管混凝土构件中的存在位置和发育程度的相关信息。 [0016] 进一步地，所述超声波检测仪利用超声阵列无损检测技术，通过4×12个干点换能器阵列和控制单元激发并接收应力波脉冲，采集数据；超声波检测仪依据采集数据形成带有缺陷及裂缝的混凝土构件内部的2D图像。 [0018] 进一步地，所述在将2D图像转换成3D图像之前需进行降噪及二值化处理。 [0019] 进一步地，所述空心副体粘接在实体主骨架或钢管内壁上，实体主骨架通过定位组件固定在钢管内。 [0020] 进一步地，所述定位组件包括卡托、卡扣底座、限位滑块和用于捆绑实体主骨架的铁丝，限位滑块安装在卡扣底座上且在力的作用下能够沿着卡扣底座滑动，卡托上设有穿线孔，卡托和卡扣底座沿着钢管内壁径向间隔设置，铁丝穿过穿线孔后固定在限位滑块上。 [0022] 本发明公开基于3D打印与磁热熔技术的带缺陷及裂缝钢管混凝土构件的制造方法，其有益效果是与现有技术相比，可以较为精确地获得接近实际工程中的、带有缺陷和裂缝的钢管混凝土构件，为研究处于实际服役中的钢管混凝土结构的真实力学性能提供更加可靠的测试依据。具体的是本发明通过超声波无损检测精确地获取缺陷信息，确保模拟3D数字模型的准确性；运用3D打印技术的精准成型和磁热熔胶的特性还原缺陷及裂缝形状和位置，实现真实模拟，使得打印出的钢管混凝土构件物性参数更接近真实构件，在交变磁场的作用下，磁热熔胶熔化，得到带有脱空缺陷以及裂缝的钢管混凝土构件，为研究处于实际服役中的钢管混凝土结构的力学性能提供更加可靠的测试依据，从而达到准确模拟的效果。附图说明 [0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0024] 图1为本发明实施例1中某个超声阵列扫描二维图像示意图； [0025] 图2为本发明实施例1中三维图像示意图； [0026] 图3为本发明实施例1中三维逆向重构技术生成的三维数字模型示意图； [0027] 图4为图3中局部剖面示意图； [0028] 图5为本发明实施例1中卡托示意图； [0029] 图6为本发明实施例1中卡扣底座示意图； [0030] 图7为本发明实施例1中限位滑块示意图； [0031] 图8为本发明实施例1中定位组件固定在钢管内示意图。 [0032] 图中所示：1、卡托；2、穿线孔；3、底板；4、顶板；5、凹槽；6、限位滑块；7、凸块；8、铁丝。 具体实施方式[0033] 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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。 [0034] 为能进一步了解本发明的发明内容，下面结合具体实施方式，进一步阐述此技术方案。 [0035] 实施例1：如图1～8所示，本实施例提供基于3D打印与磁热熔技术的带缺陷及裂缝钢管混凝土构件的制造方法，具体包括：步骤1，提取服役期内的钢管混凝土构件的脱空缺陷以及裂缝的信息并生成图像；本实施例采用超声波检测仪，对实际工程结构中钢管混凝土构件进行超声波无损检测，测定钢管混凝土构件中缺陷最多、最严重区域的波速变化规律，在无损条件下标定各种缺陷在钢管混凝土构件中的存在位置以及大小、形状、深浅等发育程度的相关关键信息。超声波检测仪利用超声阵列无损检测技术，通过4×12个干点换能器阵列和控制单元激发并接收应力波脉冲，采集数据；超声波检测仪自带的信号处理软件依据采集数据形成混凝土构件内部的2D图像。对于大尺寸钢管混凝土构件，由于其内部缺陷及裂缝较多，需要逐段检测、逐段成像。 [0036] 步骤2，利用三维逆向重构技术将图像转换成三维数字模型；具体是2D图像数据经由3D可视化软件处理“缝合”后转换成3D图像模型，如利用mimics软件将超声波检测仪采集到的2D图像数据转换成STL格式的3D图像模型。在将2D图像转换成3D图像之前需进行降噪及二值化处理。利用三维逆向重构技术，借助mimics软件将3D超声图像转换成能还原实际构件中各种缺陷以及混凝土内部裂缝等空间分布特征的3D数字模型。 [0037] 步骤3，利用3D打印技术，采用磁热熔胶材料打印出三维数字模型中与裂缝外形一致的实体主骨架以及与脱空缺陷外形一致的空心副体；按照实际钢管混凝土构件原型制作的试验构件，可逐段打印相应的实体主骨架和空心副体。 [0038] 步骤4，按照裂缝、脱空缺陷在三维数字模型中的分布位置，分别将实体主骨架、空心副体固定在钢管内部相应位置；具体的是空心副体粘接在实体主骨架或钢管内壁上，实体主骨架通过定位组件固定在钢管内。所述定位组件包括卡托1、卡扣底座、限位滑块6和用于捆绑实体主骨架的铁丝8，限位滑块6安装在卡扣底座上且在力的作用下能够沿着卡扣底座滑动，卡托1上设有穿线孔2，所述穿线孔2为椭圆形，卡托1和卡扣底座沿着钢管内壁径向间隔设置，铁丝8穿过穿线孔2后固定在限位滑块6上。 [0039] 其中卡扣底座包括底板3和顶板4，顶板4位于底板3上且顶板4与底板3垂直设置，顶板4中部带有若干个凹槽5，限位滑块6上带有与凹槽5卡接配合的凸块7。采用铁丝8逐一穿过同一高度位置处的各卡托1上的穿线孔2后将铁丝8的两端头分别绑定在两个限位滑块6上。在将实体主骨架与钢管内部的铁丝8绑定过程中，根据实体骨架尺寸大小，通过调节限位滑块6在卡扣底座上的位置，相应地调整铁丝8所围成的环形圈的直径，以达到与实体骨架尺寸相适配、方便将其固定的目的。将实体主骨架固定于钢管内部后，再按照各类型缺陷的实际分布，利用长度不等的细木条、502胶水等辅材，将代表不同类型缺陷的空心副体分别固定于实体骨架、钢管内壁的相应位置处。 [0040] 步骤5，待全部实体主骨架、空心副体固定好后，利用3D打印技术，打印混凝土，并填充满整个钢管。 [0041] 步骤6，待3D打印混凝土达到与现役构件中混凝土强度相匹配，此时混凝土强度换算相似比为1:1，在钢管外周施加交变磁场，本实施例中交变磁场强度在5‑15kA/m区间，交变加热电流在10‑100A区间，磁场频率在100‑180kHz区间，将埋置于混凝土内部的实体骨架及各空心副体熔化，进而在构件内部，形成真正的裂缝及相应类型缺陷，从而获得带有脱空缺陷以及裂缝的钢管混凝土构件。 [0042] 实施例2：与实施例1不同的是，超声波检测仪直接扫描采集成3D图像，利用mimics软件将超声波检测仪采集到的3D图像数据转换成STL格式的3D图像模型。另外，按照实际钢管混凝土构件进行缩尺制作试验构件，缩尺试验中3D打印混凝土与现役构件中混凝土之间的混凝土强度换算相似比为1：n，其中n值取值根据缩尺比例而定，进行逐段打印相应的实体主骨架以及空心副体。 [0043] 本发明在无损条件下通过借助超声波检测仪采集实际钢管混凝土构件的相关数据，采用3D打印技术打印出3D实体模型，过程中选用具有磁热熔性的磁热熔胶打印还原能够模拟各种类型脱空缺陷的空心副体以及各种裂缝的实体主骨架，根据3D数字模型信息，将实体主骨架和空心副体固定在钢管内部，模拟实际缺陷和裂缝的分布；在交变磁场的作用下，将埋置于混凝土内部的实体主骨架及各空心副体熔化，进而在构件内部，形成真正的裂缝及相应类型缺陷，最终获得带有脱空缺陷以及裂缝的钢管混凝土构件。在避免对现有钢管混凝土结构构件进行破坏的前提下，本发明能够更加真实地模拟实际工程中钢管混凝土结构存在的脱空缺陷和裂缝，方便研究处于服役中的钢管混凝土结构力学性能并指导现有结构的服役承载性能评估。 [0044] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |
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