作者：李胤贤1, 蒋友宝2, 刘艳2, 高鹏翔2
1. 长沙理工大学 卓越工程师学院，湖南 长沙 410114
2. 长沙理工大学 土木与环境工程学院，湖南 长沙 410114
为实现3D打印混凝土球壳结构的无支撑建造，提出了一种基于自支撑临界角的结构拆分方法。该方法将结构拆分问题转化为单目标优化问题，并根据改进遗传算法和动态优化拆分策略，寻求得到较为简便、可行的球壳结构拆分方案。基于所获得的拆分方案，可将球壳结构拆分成若干个可自支撑打印的单元，对拆分单元逐一打印后完成整体结构的拼接。对于混凝土球壳结构而言，随着材料自支撑临界角的增大，拆分单元数量增加。为降低拆分单元数量过多对球壳结构后续连接及整体性能的不利影响，混凝土材料的自支撑临界角不宜过大。现场成形实验结果表明，基于所提出的方法可实现3D打印混凝土球壳结构的有效拆分，在打印过程中能够避免结构支模工作，提高了建造效率。
结 论
本文考虑结构的悬垂约束条件，根据与打印材料有关的自支撑临界角对目标结构进行拆分，提出了一种适用于球壳结构无支撑打印成形的拆分方法，并通过数值计算和打印成形实验验证了所提出方法的有效性。主要结论如下：
1）将球壳结构拆分问题转化为综合拆分次数和均匀度的单目标优化问题，并通过改进遗传算法和动态优化拆分策略寻求得到合理可行的拆分方案，具有较高的效率。
2）对于混凝土球壳结构，随着材料自支撑临界角的增大，拆分单元数量增多。为降低拆分单元数量过多对结构后续连接及整体性能的不利影响，建议选取的自支撑临界角不宜过大。
3）考虑自支撑临界角的球壳结构拆分方法免除了打印过程中的支模操作。现场成形实验结果表明，所提出的拆分方案合理、可行。
部分图表
图1 结构悬挑区域示意
图2 球壳结构拆分示意
图3 球壳结构拆分打印过程
图4 基于改进遗传算法的球壳结构拆分流程
图5 球壳结构示意图
图6 球壳结构的STL模型
图7 球壳结构横断面拆分情况
图8 自支撑临界角为65°时球壳结构的拆分过程
图9 混凝土材料自支撑临界角测定原理
图10 混凝土材料自支撑临界角测定现场
图11 打印过程中的各混凝土分块
图12 K1部分的各混凝土分块
图13 拼接后的K1部分结构
图14 球壳结构及其直径
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