一种3D打印物理相似模拟模型实验台及应用方法

摘要

本发明公开了一种3D打印物理相似模拟模型实验台及应用方法。所述3D打印物理相似模拟模型实验台，包括构模机构、3D打印机构、加压开挖机构、监测机构。本发明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，最终在四大机构的高效配合下，实现不同地质条件下尤其是复杂地质构造下矿产采动情况的模拟，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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D打印物理相似模拟模型实验台、以及应用所述试验台的方法。

背景技术

我国矿产资源丰富，随着矿产资源的不断开采，地表环境破坏急剧恶化，开采安全事故 频繁发生，如何高效科学的开采地下矿产资源一直是我国面临的重大问题，然而做到科学采 矿的前提是准确的了解赋存矿产资源的地质条件及开采破坏情况，为此各科研单位及企业高 校常用数值模拟、物理模拟等手段进行相关研究。三维物理模拟研究由于其操作难度大，不 能进行可视化处理，科研过程中较少采用，然而三维物理模拟却可以更好的模拟矿产赋存及 开采破坏情况。基于上述情况，迫切需要一种3D打印物理相似模拟模型实验台，实现不同地 质条件下尤其是复杂地质构造下矿产采动情况的模拟，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。

发明内容

本发明实施例的目的在于提出一种3D打印物理相似模拟模型实验台，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，最终在四大机构的的高效配合 下，实现不同地质条件下尤其是复杂地质构造下矿产采动情况的模拟，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。为了实现上述目的，本发明采用如 下技术方案：

一种3D打印物理相似模拟模型实验台，包括：

构模机构，包括加热保护管、连接孔、侧护板、底板、滑槽结构，所述滑槽结构置于侧 护板内侧，所述侧护板通过滑槽机构相互滑动连接，所述加热保护管置于侧护板及底板内部 的连接孔内；

3D打印机构，包括出料口、竖滑架、料池、输料管、控制器、数据线、滑槽导轨、横滑 架、伸缩臂、齿动结构、料浆泵、电源，所述出料口连接于伸缩臂下端，所述伸缩臂上端利 用齿动结构齿于横滑架下部，所述横滑架两端利用齿动结构齿连接于竖滑架内侧，所述竖滑 架下端利用齿动结构齿连接于滑槽导轨，所述料池通过输料管与料浆泵相连，所述料浆泵通 过输料管与出料口连接，所述电源通过数据线与料浆泵及控制器连接，所述控制器通过数据 线分别与料浆泵、齿动结构、加热保护管连接；

加压开挖机构，包括加压桁架、垂向加压臂、侧向加压臂、加压千斤顶、折叠式保护板、 加压板、微型开挖机、微型开挖机遥控设备、抽排管、废料抽排泵站，所述加压桁架通过齿 动结构与所述滑槽导轨齿连接，所述垂向加压臂通过齿动结构与所述加压桁架齿连接，所述 加压千斤顶通过齿动结构分别与垂向加压臂及侧向加压臂齿连接，所述折叠式保护板通过连 接孔利用加热保护管连接为加压板，所述加压板与加压千斤顶铰连接，所述侧向加载臂通过 齿动结构与加压桁架齿连接，所述微型开挖机置于所构建模型内部并通过无线信号与微型开 挖机遥控设备连接，所述废料抽排泵站通过抽排管与微型开挖机连接；

监测机构，包括超声波监测器、超声波分析仪、切割刀具、应力应变片，所述超声波监 测器与侧护板外侧固定连接，所述超声波分析仪通过数据线与超声波监测器连接，所述切割 刀具与加压千斤顶固定连接，所述应力应变片置于模型内部并通过数据线与控制器连接。

优选地，所述齿动结构由电动机、齿轮、齿条构成，通过电动机带动齿轮沿齿条运动。

优选地，所述折叠式保护板为由一定尺寸的钢块通过端部铰链接而成的长条状结构，其 中各钢块具有横向和纵向的连接孔。

优选地，所述滑槽结构由梯形滑槽及梯形滑块构成，梯形滑槽及梯形滑块分别置于两连 接物体上。

优选地，所述料浆池内置隔离板，隔离板将料浆池划分为多个部分。

优选地，所述侧护板及侧向加压臂间均通过滑槽连接并通过销钉固定。

优选地，所述微型开挖机内置定位芯片、无线接收及发送装置，通过无线信号与微型开 挖机遥控设备连接。

优选地，所述加压千斤顶与垂向加压臂连接时其下端头与加压板铰连接，其与侧向加压 臂连接时其下端头与侧护板通过轴承滑动连接。

本发明还提出了一种3D打印物理相似模拟模型实验台应用方法，应用上述实验台，其包 括如下实验步骤：

a、根据所需模型尺寸，利用加热保护管通过连接孔将折叠式保护板连接为加压板，通过 滑槽结构调节侧护板及侧向加压臂，构建所述尺寸的模型，并将加热保护管分别置于侧护板、 底板、加压板内的连接孔内；

b、将滑槽导轨置于构模机构两侧，按顺序依次组装3D打印机构及加压开挖机构；

c、根据实验地质条件，通过控制器分别控制料浆泵、齿动结构通过出料口进行3D构模， 同时利用控制器控制加热保护管加热烘干模型；

d、模型构建并烘干后，通过控制器控制齿动结构调动加压开挖机构，利用加压千斤顶通 过加压板及侧护板对模型进行垂向及侧向加载，将微型开挖机通过底板中的小型圆孔置于模 型内部，并利用微型开挖机遥控设备进行遥控开挖，并利用侧护板外侧的超声波监测器进行 模型破坏监测并将信息传递至超声波分析仪，同时应力应变片向控制器传递模型应力应变信 息；

e、实验完毕，按相反顺序拆除构模机构并留取底板，根据实验要求，将切割刀具横向或 纵向装于加压千斤顶下端，通过控制器控制齿动机构调动加压开挖机构对模型形进行切剖；

f、提取各项实验数据，最后按相反顺序拆除转置，并妥善保存。

与现有三维模拟实验台相比，本发明具有如下优点：

本发明述及的3D打印物理相似模拟模型实验台，其中构模机构通过由滑槽连接的侧护板 可构建不同尺寸的模型并实现加压时的自由移动，通过内置的加热保护管不仅可以实现各部 件的连接而且可以加热构建过程中的模型起到快速烘干模型的作用；3D打印机构通过控制器 控制料浆泵对料浆的供给，通过控制齿动结构配合相应部件实现出料口的自由移动，达到3D 打印的效果；加压开挖机构可实现模型的垂向及侧向的自由加压，通过微型开挖机模拟矿山 开挖情况；监测机构通过超声波监测器、应力应变片及切割工具进行模型实验监测，达到模 型实验可视化的效果，最终构模机构、3D打印机构、加压开挖机构及监测机构高效配合，实 现不同地质条件下尤其是复杂地质构造下矿产采动情况的模拟，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。

附图说明

图1为本发明实施例中切割刀具图；

图2为本发明实施例中折叠式保护板图；

图3为本发明实施例中加压板图；

图4为本发明实施例中加热保护管图；

图5为本发明实施例中侧向加压结构图；

图6为本发明实施例中构模机构图；

图7为本发明实施例中微型开挖机图；

图8为本发明实施例中3D打印模型过程图；

图9为本发明实施例中加压开挖监测图；

图10为本发明实施例中模型切割过程图。

图中：1-侧护板；2-出料口；3-滑槽结构；4-折叠式保护板；5-竖滑架；6-加热保护管；7- 连接孔；8-加压桁架；9-加压板；10-料池；11-输料管；12-控制器；13-数据线；14-滑槽导 轨；15-底板；16-横滑架；17-伸缩臂；18-垂向加压臂；19-侧向加压臂；20-加压千斤顶；21- 应力应变片；22-齿动结构；23-料浆泵；24-电源；25-废料抽排泵站；26-微型开挖机；27-微型 开挖机遥控设备；28-超声波监测器；29-超声波分析仪；30-切割刀具。

具体实施方式

结合图8、图9、图10所示，一种3D打印物理相似模拟模型实验台，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，利用监测机构进行模型应力应变及破坏 情况的监测，最终在四大机构的的高效配合下，实现不同地质条件下矿产采动情况的模拟。

构模机构中，所述滑槽结构3置于侧护板1内侧，所述侧护板1通过滑槽机构相互滑动 连接，所述加热保护管6置于侧护板1及底板15内部的连接孔7内；

3D打印机构中，所述横滑架16两端利用齿动结构22齿连接于竖滑架5内侧，所述竖滑 架5下端利用齿动结构22齿连接于滑槽导轨14，所述料池10通过输料管11与料浆泵23相 连，所述料浆泵23通过输料管11与出料口2连接，所述电源24通过数据线13与料浆泵23 及控制器12连接，所述控制器12通过数据线13分别与料浆泵23、齿动结构22、加热保护 管6连接；

加压开挖机构中，所述加压桁架8通过齿动结构22与所述滑槽导轨14齿连接，所述垂 向加压臂18通过齿动结构22与所述加压桁架8齿连接，所述加压千斤顶20通过齿动结构 22分别与垂向加压臂18及侧向加压臂19齿连接，所述折叠式保护板4通过连接孔7利用加 热保护管6连接为加压板9，所述加压板9与加压千斤顶20铰连接，所述侧向加载臂通过齿 动结构22与加压桁架8齿连接，所述微型开挖机26置于所构建模型内部并通过无线信号与 微型开挖机遥控设备27连接；

监测机构中，所述切割刀具30与加压千斤顶20固定连接，所述应力应变片21置于模型 内部并通过数据线13与控制器12连接。

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，利用加热保护 管6将折叠式保护板4连接成加压板9，利用滑槽结构3调节侧护板1及侧向加压臂19至合 适尺寸，通过控制器12启动料浆泵23及齿动结构22并配合竖滑架5、横滑架16、伸缩臂 17调节出料口2位置进行3D打印，模型打印完毕后，通过控制器12调动齿动结构22启动 加压桁架8、垂向加压臂18、侧向加压臂19及加压千斤顶20通过加压板9及侧护板1对模 型加压，并调动微型开挖机26对模型进行开挖，同时利用应力应变片21及超声波监测器28 对模型变化情况进行采集，完毕后，拆除构模机构并保留底板15及模型，根据剖切方位要求， 将切割刀具30安装于加压千斤顶20下端，启动控制器12，再次调动齿动结构22启动加压 桁架8、垂向加压臂18、侧向加压臂19及加压千斤顶20通过切割刀具30对模型进行剖切。

其实验步骤大致如下：

a、根据所需模型尺寸，利用加热保护管6通过连接孔7将折叠式保护板4连接为加压板 9，通过滑槽结构3调节侧护板1及侧向加压臂19，构建所述尺寸的模型，并将加热保护管6 分别置于侧护板1、底板15、加压板9内的连接孔7内；

b、将滑槽导轨14置于构模机构两侧，按顺序依次组装3D打印机构及加压开挖机构；

c、根据实验地质条件，通过控制器12分别控制料浆泵23、齿动结构22通过出料口2进 行3D构模，同时利用控制器12控制加热保护管6加热烘干模型；

d、模型构建并烘干后，通过控制器12控制齿动结构22调动加压开挖机构，利用加压千 斤顶20通过加压板9及侧护板1对模型进行垂向及侧向加载，将微型开挖机26通过底板15 中的小型圆孔置于模型内部，并利用微型开挖机遥控设备27进行遥控开挖，并利用侧护板1 外侧的超声波监测器28进行模型破坏监测并将信息传递至超声波分析仪29，同时应力应变 片21向控制器12传递模型应力应变信息；

e、实验完毕，按相反顺序拆除构模机构并留取底板15，根据实验要求，将切割刀具30 横向或纵向装于加压千斤顶20下端，通过控制器12控制齿动机构调动加压开挖机构对模型 形进行切剖；

f、提取各项实验数据，最后按相反顺序拆除转置，并妥善保存。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说 明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、明显变 形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。