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文献速读 Cement Concrete Res. ：基于挤压的3D打印过程中加速养护和层变形对结构失效的影响  题目 题目：Effect of accelerated curing and layer deformations on structural failure during extrusion-based 3D printing 基于挤压的3D打印过程中加速养护和层变形对结构失效的影响 关键词 关键词：塑性坍塌；弹性屈曲；增材制造；可建造性；打印条件的优化；按需设置 来源 出版年份：2022 来源：Cement and Concrete Research 课题组：埃因霍芬理工大学A.S.J. Suiker课题组 研究背景 在3D混凝土打印过程中被确定为最相关的两种失效机制是塑性坍塌（一种强度机制）和弹性屈曲（一种稳定机制）。对各种混凝土墙体结构进行 3D打印实验证实，几何和打印工艺参数的特定组合决定了结构是否会因塑性坍塌或弹性屈曲而发生灾难性破坏。塑性坍塌的特征是墙底附近的最大应力达到屈服强度，之后结构在竖直方向上逐渐变形，而弹性屈曲则反映了由于失去几何稳定性而引起的破坏，导致外墙的累积变形。 研究出发点 关于打印参数和条件对打印过程中结构力学性能影响的细节是有限的；工艺条件通常是保守的，并且基于耗时的试验和错误程序，这些程序有效避免在缺乏力学性能或尺寸精度的情况下发生意外故障。为了改善这些方面，需要开发基于物理的建模工具来预测各个打印过程参数对打印构件故障响应的影响。 研究内容 本文总结了3D打印模型中得出的塑性坍塌公式，并回顾了受线性养护和指数衰减养护的打印材料的结构屈服标准。此外，还针对加速养护的情况制定了结构屈服准则，并通过设计图展示了具体的失效特征。随后推导出自由壁结构在加速养护下的弹性屈曲行为，并通过破坏机制图的构建分析了弹性屈曲与塑性破坏之间的机制。介绍了一个建模方法，用于在预测结构失效时考虑层的垂直变形。对具有线性养护规律、指数衰减养护规律和加速养护规律的打印材料计算的结果汇总在设计图中。随后通过与3D打印实验结果的比较证明了设计图的实际适用性。此外，还探讨了层的垂直变形对弹性屈曲预测的影响。  图1 塑性坍塌导致的墙体破坏（左），以累积的垂直变形为特征，以及弹性屈曲（右），以渐进的横向变形为代表  图2 拉格朗日坐标系X的原点连接到打印墙的底部，欧拉坐标系X的原点连接到打印喷嘴的末端  图3 根据方程式在线性和指数衰减养护过程下屈服强度σ的时间演变。虚线表示以相对高和低的养护速率 ξeσ 为特征的指数衰减养护函数  图4 根据线性养护定律，在不同养护时间（即 5、15、30 和 60 min）（黑点）的单轴压缩试验中测量的屈服强度，连同实验值的线性近似值（虚线） 主要结论 最近的实验研究表明，在基于挤压3D打印过程中使用的新拌混凝土的可建造性可以通过化学加速养护过程来显著提高。基于目前的研究，通过在 Suiker开发的参数化3D打印模型中加入幂律养护函数，探讨了加速养护对 3D混凝土打印过程中塑性坍塌和弹性屈曲失效的影响。为加速养护的情况制定了结构屈服准则，并通过将预测的失效特征与线性养护和指数衰减养护的特征进行比较，证明了抗塑性坍塌的主要优势。随后，推导了自由壁结构在加速养护下的弹性屈曲行为，并通过破坏机制图的构建评估了自由壁结构的弹性屈曲和塑性坍塌之间的机制。此外，还提出了一个建模，该模型说明了垂直层变形在3D混凝土打印过程中预测结构失效时的影响。为此，塑性坍塌处的破坏长度被分解为与层的垂直变形无关的部分，以及解释这些变形的增量部分。失效长度的增量部分是通过在塑性坍塌时刻对跨壁长度的应变分布进行积分来获得的。积分表达式与结构屈服函数同时求解，以获得塑性坍塌时单个打印层的平均垂直变形。建模结果总结在设计图中，用于打印材料经历线性养护过程、指数衰减养护过程和加速养护过程。这三种养护工艺的设计图相差较大，这表明了在确定塑性坍塌时竖向墙体变形时，必须考虑养护规律的具体特点。将线性养护的模型结果与文献最近提出的3D混凝土打印试验结果进行对比，结果吻合良好。最后，证明了垂直壁变形对弹性屈曲失效的影响通常很小，因此对于这种失效机制，可以忽略这一影响。本次实验中呈现的所有设计图都是通用的，从某种意义上说，它们不限于混凝土，也可以应用于其他打印材料。 文献链接： https:///10.1016/j.cemconres.2021.106586 |
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