3D混凝土打印(3D Concrete Printing)技术由于其快速制造的优势，在过去几十年里得到了迅速的发展。然而由于，新拌混凝土材料在其自重作用下，往往会因弹性屈曲或塑形坍塌发生失效（图1）。目前尚未建立能准确预测与分析3DCP圆柱壳的力学模型，如何减少试错性试验，找寻最佳参数集，是一个重要的科学问题。
图13D打印进程中失效机制示意图
针对这一挑战，西安建筑科技大学力学技术研究院孙博华院士团队开展了针对3D混凝土打印进程中柱壳结构力学性能的研究，提出用于预测、分析3DCP圆柱壳失效高度的参数模型。该结果对于理解和分析3D混凝土打印进程中的力学性能具有指导意义。相关工作于2021年以“3D混凝土打印进程中柱壳结构的力学性能研究”为题发表在期刊《工程力学》。
图2柱壳在自重作用下示意图
首先，研究人员根据Goldenveizer-Novozhilov壳体理论，在引入打印时间影响，构建了欧拉坐标系下用于分析3D混凝土打印进程中稳定性的无量纲屈曲控制方程。
同时，构建了用于分析塑形屈服极限的无量纲塑形坍塌长度方程。
随后，对打印进程中圆柱壳弹性屈曲与塑形坍塌的竞争关系进行了分析。当固化比较大时，柱壳结构容易发生弹性屈曲；当固化比较小时，则容易发生塑形坍塌。
图3 3DCP圆柱壳失效机制
最后，研究人员在结合相关试验数据，分析了在打印参数固定情况下，结构的最优构型。其中两条曲线的交点A代表弹性屈曲与塑形坍塌两种破坏机制竞争关系的临界点。
图4参数固定情况下，3DCP圆柱壳塑形坍塌长度与弹性屈曲长度随径厚比变化图
论文第一作者为2019级硕士研究生刘轩廷，通讯作者为孙博华院士。
上述论文信息及全文链接如下:
[1]刘轩廷,孙博华.3D混凝土打印进程中柱壳结构的力学性能研究[J].工程力学.doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0605
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