基于FDC打印工艺的混凝土动态3D打印过程数值仿真分析

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3D打印具有成型速度快、节约能源、无限设计空间等优势,在工业造型、机械制造、航空航天、军事等领域都得到了广泛应用。而近年来,3D打印技术在建筑设计领域上更是突显出其优势,在水利水电工程施工中也逐渐崭露出头角。  3D打印“分层打印,逐层叠加”的“施工方式”,对尺寸较小的结构件,温度应力问题并不突出,但对水利工程溢流面、蜗壳等几何尺寸超大“结构件”,导致打印时内部热量积聚、内外温差巨大,温度应力问题十分突出,极大的限制了3D打印在水利水电工程中的发展。因此,本文拟从混凝土动态3D打印成型的工艺参数出发,对打印混凝土强度进行研究,并采用大型有限元分析软件ANSYS中的“单元生死”技术,模拟混凝土动态打印成型过程中温度场和应力场,以期得到工艺参数对其温度应力的影响。  研究了基于FDC工艺的混凝土动态打印过程温度场有限元数值模拟技术,在考虑了3D打印过程中混凝土水化热不断释放特点的基础上,建立了混凝土动态打印过程温度场的分析模型,模拟得出各点温度随时间变化以及不同打印速度、不同打印路径、不同打印厚度和不同初始打印温度等对3D打印混凝土构件内部温度变化的影响。采用热-结构耦合,以温度场的分析结果作为初始条件,施加到应力场分析中,进行了混凝土动态打印应力场的模拟,得出了不同打印速度、不同打印路径、不同打印厚度和不同初始打印温度下对3D打印混凝土构件温度应力的影响。  通过上述研究发现:工艺参数的变化对3D打印混凝土内部温度应力的影响是存在的,且打印速度越快,厚度越小,初始温度越低,打印混凝土最大应力也越低。同时,打印路径也对其温度应力分布及大小有着显著影响。因此,合理选择3D打印混凝土工艺参数,对保持其结构完整性十分重要。
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