3D混凝土打印(3DCP)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，然而在印刷过程中仍有许多问题需要解决。新拌混凝土材料在固化前类似于非牛顿流体，由于材料流动性，打印条的层截面几何形状往往非矩形；材料固化后将保持几何参数不变，但由于其强度过低，在上层打印条的重力作用下，往往因稳定性问题发生失效（图1）。目前针对打印进程中结构稳定性的研究仍存在许多不足，其中最为显著的是无法准确预测3DCP进程中圆柱壳的打印失效高度。
图1 3D混凝土打印进程中结构在自重作用下因稳定性发生失效（图片来源：Suiker et al.）
3D混凝土打印进程中结构的稳定性问题在很大程度上制约了结构制造效率，打印机往往采取较慢的打印速度用于保证混凝土材料的固化时间，以增强结构刚度。如何在保证3D混凝土打印结构性能的同时，最大程度增加打印效率，是一个重要的科学问题。
针对这个挑战，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混凝土打印进程中界面对结构稳定性的影响研究，提出了打印条层截面几何形状类水滴型模型。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“The influence of interface on the structural stability in 3D concrete printing processes”为题发表在国际著名期刊《Additive Manufacturing》上。该期刊的影响因子为10.998，在工程-制造领域中排名第一。
建筑行业的增材制造方法是基于挤压的3D混凝土打印，即混凝土材料从喷嘴连续喷出，以实现逐层打印。由于混凝土材料的固化影响，打印进程将会在层间形成界面（图2）。
图2 3D混凝土打印及层间界面示意图
首先，研究人员在考虑到基于挤压的3D混凝土打印条的层截面几何形状，构建了用于分析3D混凝土打印进程中稳定性的数学模型。
同时，我们构建了在考虑层间界面影响下的有限元仿真模型，并与已有试验进行对比验证，结果高度吻合（图3），这解决了现有研究中，仿真结果与试验不匹配的的问题。
图3 3D混凝土打印进程中圆柱壳弹性屈曲失效高度
随后，我们对打印进程中圆柱壳的失效形式进行分析，并给出了最大临界径向位移。当圆柱壳的径向位移小于临界值，结构呈现类似轴对称变形；当径向位移大于临界值时，结构变形将迅速开展至非轴对称并发生失效。
图4 3DCP圆柱壳径向位移增长图
最后，研究人员分析了界面影响下，有效层间接触在较低的混凝土固化速率下，可作为分析3D混凝土打印进程中圆柱壳屈曲的主导因素。随后，将理论结果与有限元模拟进行对比分析，发现理论结果可用于评估圆柱壳屈曲的下限。
图5：理论结果与有限元模拟对比图
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。
文章链接:X.T. Liu, B.H. Sun, The influence of interface on the structural stability in 3D concrete printing processes, Additive Manufacturing, (2021)102456,https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102456
该文由力学人公众号进行了报道：https://mp.weixin.qq.com/s/LR5JBbFIkjLgr-U5aKtVUg
“3D混凝土打印进程中界面对结构稳定性的影响研究”备忘录
2019级硕士研究生 刘轩廷
时光如白驹过隙，转瞬间研究生生涯已进入尾声，本人第一篇学术论文也已在网络首发。在孙老师的建议下，特写下此备忘录，以便详细记录本篇论文从无到有的科研过程以及本人的心得体会。
2019年10月12日，在我作为新生入学后的第一个月，便十分幸运的获得了一个宝贵的机会，即在孙老师的资助下前往天津参加由同济大学与河北工业大学主办的第二届``建筑3D打"国际会议（3DcP-2019），此会议是我人生中参加的第一个学术会议。同样的，作为国际会议，吸引我的不仅仅是其中的学术内容，更有一种步入全球顶尖科研领域的新鲜感与激动感，但会议中的全英文交流报告同样带给我一种学业上的紧迫感。
这次会议为期3天，共有13个特邀大会报告和42个分会场主题报告。美国工程院院士、南加州大学Behrokh Khoshnevis教授、密歇根大学Victor C.Li教授、代尔夫特理工大学Erik Schlangen教授、湖南大学Caijun Shi教授、南洋理工大学Ming Jen Tan教授、澳门大学Zongjin Li教授等国际知名学者应邀出席。来自美国、英国、德国、新西兰、澳大利亚、荷兰、中国等15余个国家和地区的200余名学者参会，共同围绕建筑 3D 打印在新材料、新结构、新装备、新工艺等方面进行深入研讨。
图1从左至右分别为：张一、李翔、陈品元、李权威、孙博华院士、宋广凯、戴远帆、刘轩廷
会议期间，荷兰学者A.S.J Suiker教授一篇名为``Mechanical performance of wall structures in 3D printing processes: Theory, design tools and experiments"的论文引起了孙老师的注意。可以注意的是，在``建筑3D打印"这个领域，对新型打印材料的研究占据了大多数，而Suiker教授的论文则更多的为研究3D混凝土结构在打印过程中的力学性能，孙老师就我是力学学科出生，具有一定的理论功底出发，便鼓励我进行深入了解并尝试解决相关问题，而这便成了我的选题方向，也是我本次会议最大的收获。
与会期间，我收获到的不仅仅是沉甸甸的学术知识，更有着生活的享受。会议之余，孙老师带领我们7 位研究生漫步于海河之滨，畅谈至深夜；乘坐主办方安排的游船，游览于海河之中。这短短几天留下了许多美好回忆。
图2 与Behrokh Khoshnevis教授合影
图3 与A.S.J Suiker教授合影
会议结束后，我便在孙老师的鞭策之下对Suiker的论文进行学习。初期阶段，由于课程的繁杂、论文相对较长以及理论推导难度较大，进展相对缓慢。与此同时，我最开始有些好高骛远，在尚为完全理解与复现全文的基础上，欲开展圆柱壳的理论工作，这使得我举步维艰。在向老师汇报进展的过程中，孙老师发现了我的错误方法，并及时予以纠正。教导我立即向作者发送邮件请教并采取``边学边做"的方式重新开展此研究。即，第一步为将全文公式进行重新推导，将全文数值结果进行复现，只有这样才能快速学习。第二步再进行创新，开展属于自己的工作。
经孙老师提点过后，我从无头苍蝇乱转的状态逐步进入正轨。开展我学习的第一步，即全文翻译。之前的学习进程中，我只是大概对文章进行了解，缺乏全文的汉化工作，这在一定程度上其实影响了我的公式推导理解，其中有部分公式因为许多关键部分以文字的形式进行补充或解释，这大大加强了我对上下文公式的连贯理解，并一步步理顺了文章脉络，掌握了作者的推导思路。可单理解了推导思路还十分不足，在未来的工作中我需要的是进行我相关工作的理论推导。与此同时，我开始意识到我理论方面的不足，并开始进行针对性的学习。这便更加契合了孙老师教导我们的``边学边做"。在有针对性目标的情况之下，我发现之前大学时期枯燥的理论知识变得生动起来，那些枯燥乏味的公式也变得越加鲜明活泼。一步步的推导，一行行公式的解读，一句句论文的理解，文字和公式不断地重复学习、深入理解，才能向最后地终点迈进。
在论文学习过程中，我总结出了一些经验以供分享：1、主要论文需全文仔细翻译。全文的翻译并不会浪费时间，一篇文章，其每句话都是十分精炼的，也具有强烈地说明文章内容的目的性。逐字逐句地反复翻译理解更是重中之重，每一遍文字的阅读总能找到之前带给你困惑的答案。最后在完全理解文章的基础上仍存在的疑惑，这就会如孙老师所述的从文章中发现问题，可能成为你下一个研究方向。2、论文公式需完全重新推导。公式是一篇文章的数学语言，而数学语言具有强烈的逻辑性，是对论文的最严密地阐述。数学公式与文字语言相结合才能得到文章最终的结论。3、该参考文献的学习。每一篇论文都是在前人的基础上写下的，而作为初学者不可能将该领域的相关知识都铭记于心，其文章中的每一个引用所得的公式或假设等都不可能在文章中完全展现，而我们所需做的便是在不理解的基础上对其参考文献相关部分进行溯源学习。这不仅仅是为理解论文，更是带给我们更多的专业知识。
即便是有了最正确的科研学习方法，这条道路仍然是困难重重。如原文所涉及到的3D打印墙结构的屈曲控制方程，在加入时间效应的影响下，其具有强烈的非线性，解析解无法求得。此刻，我想到了孙老师一直在我们科研群中推送的种种数学求解方法以及软件，其中便包括我在解决文章相关计算所用软件matlab和Python。在此基础上，我开始学习matlab，并编写相关的程序进行求解。过程是曲折艰难的，但是当我计算得出与文章一致的结果时，心中的喜悦溢于言表。虽然只是重复他人的工作，但解决问题，一步步攻坚克难使我十分具有成就感。同样的，在利用有限元软件ABAQUS模拟的过程中，同样在模拟的过程中发现了问题。模型并不复杂，但是其中的重复性劳动非常巨大，于是如何简化重复性劳动成为了重中之重。在相关建模视频学习的过程中，我发现了ABAQUS可以利用python进行建模的批量化生产，而且相对应的模型改变只需修改短短几段代码便可完成，这无疑大大提高了我的工作效率，毕竟当模型构件多达四五十个时，每个构件的材料属性还并不相同，这并不是简单利用阵列便可完成的操作，长达几十分钟的建模过程可利用python代码在短短几秒钟生成。在使用这些工具时，我有了更深入的体会，其中不单单是工具的熟练，更重要的是广阔的知识面，如果没有孙老师所推送的相关内容，我也许并不会思考到使用这些工具能帮助我更加快速的进行科研工作，在此我要再次感谢孙老师几乎每日不停地在微信工作群中向我们分享最新、最热的科研成果以及科研小工具。
在对Suiker论文的学习过程中，每每遇到难点，孙老师都孜孜不倦地勉励我，直至我复现整篇论文，期间不仅收获了许多知识，更为我开展自己的科研工作打下了坚实的基础。在一切准备工作就绪地情况下，我开始着手解决问题。由于原文研究的为直墙(straight wall)在3D打印进程中的力学性能，其重点在于可有效预测打印墙的失效层高。而我所需要解决的问题是曲率的引入对打印墙失效层高的影响，为此选择了结构整体拓扑刚度较强的圆柱壳进行研究。在针对圆柱壳屈曲方程的研究中，其中一个难点在于如何在将模型简化地同时不失精度，为此我翻阅了大量老师给予的相关书籍文献，其中最重要的为《弹性稳定理论》与《Theory of Elastic stability》两本书籍，在此基础上，我成功描绘出了3D混凝土打印圆柱壳在自重作用下屈曲地控制方程，再利用之前复现Suiker计算数据的matlab程序进行数值求解，期间的对公式的反复推导以及对程序的不断修改便不一一赘述，在得出结果的那一刻，内心无比激动。
图4 论文最初稿插图
2020年9月28日，我完成了论文的第一稿，在对论文反复查验后，怀着激动的心情将论文发送给孙老师审阅。由于第一次撰写论文的缘故，论文中仍存在许多细小的错误，而这些错误孙老师均一一给我指出并细心指导我改正。其中便包括图表的绘制，论文中图表绘制的精美与否在很大程度上会影响审稿人的第一印象，而这正如孙老师一遍遍强调的让我们学习加强绘图能力息息相关。一遍遍的修改，孙老师一遍遍的审阅过后，中文内容于2020年10月16日定稿，并开始进行论文的英文翻译，至2020年10 月25日，投稿至《Cement and Concrete Research》。在内心无比忐忑下等待了一个多月，于2020年12月14日收到了期刊回复，很不幸的是，我被拒稿了。孙老师在视频会议中不断地鼓励我，不要气馁，抓紧时间针对审稿人给我的审稿意见进行修改。十分幸运的是，审稿人给我写下了长达四页六点无比详细的审稿意见。老师的鼓励，审稿人的悉心言语使我重拾信心，第一时间投入到了论文修改中。2021年1月13日，我修改后的论文投稿至了《Composites Part B：Engineering》，可惜由于论文内容与期刊范围不太相符，仍被期刊拒稿。2021年1月29日，论文投稿至《Acta Mechanica Sinica》，2021年4月19日收到了期刊回复，大修。此外，期刊考虑到本文在制造技术的新颖性和影响可能比在力学方面更为重要，建议将工作提交至制造技术或工程方面的期刊。在收到编辑部的回信后，对文章按审稿专家建议进行修改后，于2021年4月22日，转投至《Engineering Structures》。在内心煎熬下等待了两个来月，于2021年6月27日收到了编辑部回信，结果仍并不理想。这一次次的投稿过程中，虽然文章在一步步地改善，各个期刊返回的审稿越来越少，但我很明显地感觉到文章仍存在一个重大缺陷，即本文理论、有限元得出的结果与已有文献中试验并不匹配，这在相关文献中仍是尚未解决的问题。相关结果对比如下
本文理论、有限元所得出的结果与相关工作中的有限元结果是能符合一致的，但均与试验结果存在很大的差别。在一次次的投稿过程中，我一直在思考这方面的问题。Wolfs et al.将结果的差异归因于材料性能的高估以及对几何、材料缺陷的忽视。Ooms et al. 认为结果的差异可能由材料性能的高估与有限元模拟所选的网格、单元类型导致，但其相关方面的研究并未得到较好的结果。这便是该篇论文的硬伤，但也是一个很大的机遇。
图5 Wolfs et al.试验结果
通过Wolfs et al. 文献中给出的试验结果，可以发现，3D混凝土打印圆柱壳的层截面几何形状并非完美的矩形。但在相关的用于分析3D混凝土打印进程中模型并未考虑层截面的几何形状。
图6 Comminal et al.试验结果
通过Comminal et al. 文献中，利用新拌混凝土的流变学特性，针对3D混凝土打印条的层截面几何形状进行了分析、预测。为此，我参考Comminal et al.文献结果对3D混凝土打印条的层截面几何形状进行了划分。
图7 3D混凝土打印条的层截面几何形状划分方式
其中，将(a)(c) 类简称为RR(rounded rectangular)，(b)类简称为RT(rounded trapezoidal)。针对图4中的试验结果，采用RT形式的层截面几何形状（如图7所示）对Wolfs et al. 的试验结果进行有限元模拟、对比、验证。
图8 RT形式层截面几何参数
非常幸运的是，在将论文投稿至《Engineering Structures》期间，在考虑3D混凝土打印层截面几何形状的有限元模拟得到了突破性的进展。十分幸运的是，第一次有限元模拟的结果便与试验高度一致。
图9有限元模拟与Wolfs et al.试验对比图
满怀着满心的激动，我向孙老师汇报了当前的科研进展，孙老师鼓励我抓进时间进行模拟、分析、成文。在此期间，与孙老师时时进行沟通，并最后在孙老师的授意下，将该篇论文题目定为“The influence of interface on the structural stability in printing processes”。在2021年6月27日得到《Engineering Structures》拒稿的回信后，心中也并无太多的沮丧，与此同时，孙老师也一直鼓励我，尽快成文，并表示相信，全新的论文一定能很快被接收的。
经过了一个多月紧张的写作，该篇论文于2021年7月5日最终定稿，在经过近两个星期的自我校对与润色后，与2021年7月19日投稿至《Science China Technological Sciences》，但由于与期刊主旨不太符合，十分遗憾的于2021年7月21日被编辑部拒稿。当晚，孙老师便让我选择几个期刊进行重新投稿，并于当晚进行学术散步交流。晚上散步交流期间，我内心其实无比的忐忑，时间已临近研三，在考虑到毕业论文要求之际，并不敢太过冒险，于是选择了一系列SCI（3区）以及《Additive Manufacturing》供孙老师选择。《Additive Manufacturing》作为国际著名期刊，其影响因子为10.998，且在工程-制造领域中排名第一。在期刊选择期间，我内心十分纠结，如何在期刊等级与毕业要求间进行平衡。在与孙老师沟通交流以及鼓励后，决定将新文章投稿至《Additive Manufacturing》。
题为“The influence of interface on the structural stability in printing processes”于2021年7月22日投稿至《Additive Manufacturing》。印象更为深刻的是，2021年10月7日，也正是国庆收假的最后一天，列车已开始检票登车，但我仍在排队安检。孙老师在微信群里让我查看邮件，我心中不由咯噔一下，在飞奔前往检票口之余，我颤抖着查看《Additive Manufacturing》的回信内容，一遍遍翻看着两个审稿专家的建议，心头是抑制不住的火热。
Reviewer 1: Very relevant research in the area of modelling stability of 3DCP. Pleasure to read with excellent structure.Only minor revisions require addressing.
Reviewer 2: The article is well written, and clearly describes the problematic. Though, knowing that a lot of researchers are working on the exact same subject using the same tools and approaches, the article itself cannot be considered as a one of its kind, yet it could certainly contribute to the desired answer.
辛苦坚持了整整一年的投稿过程，一年间对文章不断修改，投稿，终于在此刻，我享受到了丰收的喜悦。
在针对审稿人建议对文章进行修改后，2021年10月11日晚，于孙老师家中进行退修稿的上传。孙老师不厌其烦地帮助我修改相关内容、回稿信以及上传材料，工作直至凌晨一点半，才将所有内容上传完毕。2021年10月29日，收到《Additive Manufacturing》杂志社稿件录用通知。
回顾这次科研的整个过程，我百感交集。正如老师所说，一个科研工作中最重要的部分就是课题的选择，一个好的课题将决定科研成果的上限，而好的课题是可遇而不可求的，能伴随着一个学科的成长更是科研工作者最大的幸福。在此，再次由衷的感谢老师为我选择这个课题，老师在权衡课题难度与新颖性，给了我大方向的指引，教导我坚持不懈的努力。在最初接触该方向，花费了将近一个学期的针对荷兰学者Suiker论文的学习，虽然学习时间漫长，但正是这样一步步踏实的脚印将我带入了科研的殿堂，将我从对科研的一无所知到独立写出科研论文，其中的成就感与自豪感无与伦比。老师有一句话说的非常好，科研最重要的是要学会自己寻找问题并解决它，发现问题比解决问题更重要。确实，科研的道路是艰辛的，科研工作者不是一个解决问题的机器，而是要掌握独立发现问题并解决问题的能力。而对于发现问题，老师对我这篇论文的指导我觉得非常正确，如果说，老师给出一个问题，指定你去解决，这并不能从中学到任何如何去发现问题的方法，而给我一个大方向，在自身不断研读这方面论文从而发现别人论文中的不足点，再加以展开，这才是发现问题的入门方法。孙老师以其深厚的科研底蕴为我们领航，使我们不至于偏离方向，从而逐步学会发现问题，这才是我所认为的一个学习如何科研的好方法。其次，对于如何解决问题，则是需要`` 边学边做"，从问题中学习，从书本中学习，从论文中学习，这才是基本方法。即便是老师，也不可能做到全知全能，只能为我们提供一定程度上的帮助，而不是帮助我们解决问题，绝大部分的科研工作只能依靠自己。最后，既然选择了科研这条道路，不可能一直在老师的庇护下前行，需要我们自身探索未知，解决问题，老师所教导我们的并不是单纯的几篇论文，而是如何入门科研，一种从完全不会科研到步入科研的学习方法，这才是我们所欠缺的。
论文已发表在《Additive Manufacturing》上，该文第一作者为2019级硕士研究生刘轩廷，通讯作者为孙博华院士。
文章链接:X.T. Liu, B.H. Sun, The influence of interface on the structural stability in 3D concrete printing processes, Additive Manufacturing, (2021)102456,https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102456
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