引入用于热固性3D打印混凝土模板中矩形和曲面板结构增强的最大位移技术

1. 研究背景

随着数字化建造与增材制造技术的快速发展，复杂异形混凝土结构在现代土木工程中的应用越来越广泛，例如自由曲面建筑、双曲壳结构以及参数化混凝土构件等。这类结构通常具有复杂的几何形态，而传统木模板和钢模板主要适用于规则构件，对于复杂曲面结构往往需要大量人工加工与拼装，不仅施工效率较低，而且会造成较大的材料浪费。虽然数控加工（CNC）能够实现复杂模板的制造，但其属于减材制造方式，在加工聚苯乙烯或木模板时会产生大量废料，因此难以满足绿色建造与可持续发展的要求。基于材料挤出增材制造（MEX-AM）的3D打印模板技术能够直接制造复杂几何模板，因此逐渐成为当前工程建造领域的重要研究方向。

目前，3D打印模板大多采用熔融沉积成型（FDM）工艺，但这种工艺在实际工程应用中仍然存在明显缺陷。例如，在新拌混凝土浇筑过程中，模板会受到较大的静水压力作用，从而产生较大的面外变形，严重时甚至会发生层间剥离和结构失稳。此外，热塑性材料在打印过程中需要进行熔融，因此打印速度较慢，难以满足大尺寸模板快速制造的需求。相比之下，热固性材料在喷嘴内部混合后能够形成稳定的交联结构，具有更强的层间结合能力、更好的抗静水压力性能以及更高的打印效率，因此更适用于大型复杂模板的制造。

然而，仅依靠提高材料性能仍无法完全解决模板变形问题。传统方法通常通过增加模板厚度来提高结构刚度，但这种方式会导致材料消耗和结构自重显著增加，并不符合轻量化设计理念。因此，研究者开始尝试通过布置加劲肋来提高模板局部刚度，以实现“少材料、高刚度”的优化目标。目前已有研究采用GSM、MMC和SIMP等拓扑优化方法进行加劲结构设计，但这些方法普遍存在计算量大、对初始网格依赖性强以及难以兼顾3D打印制造约束等问题。因此，本文提出了一种新的最大位移技术（MDT），通过识别结构位移最大的区域并逐步布置加劲肋，实现快速、高效且适用于复杂曲面结构的模板优化设计。

2. 研究方法

本文首先建立了热固性3D打印模板的有限元模型，并结合实验验证分析MDT方法的有效性。研究对象包括矩形板、单曲面板、双曲面板以及带悬挑曲面板等多种结构形式，所有模板尺寸均为600 mm × 600 mm，厚度为10 mm。有限元分析采用Abaqus软件完成，并通过Python脚本实现自动化优化迭代。模型中板体采用壳单元模拟，加劲肋采用梁单元模拟，并利用Tie约束实现两者之间的连接，以保证受力传递的连续性。为了降低计算成本，研究还利用结构关于y轴对称的特性，仅对半模型进行分析，从而减少计算自由度并提高分析效率。

在荷载施加方面，研究重点考虑新拌自密实混凝土（SCC）对模板产生的静水压力。随着浇筑高度不断增加，模板底部所承受的压力也会逐渐增大，因此模板的面外位移会持续增加。研究通过逐步提高混凝土液面高度，模拟实际施工中的浇筑工况，并分析模板在不同阶段的变形规律和受力特征。与此同时，研究还对有限元模型进行了网格敏感性分析，以确保计算结果不会受到网格划分精度的影响。

MDT方法的核心思想是利用有限元分析得到模板的位移场，并寻找结构中位移最大的区域，然后在该区域附近布置加劲肋，通过不断迭代优化肋骨的位置与方向，逐渐降低模板的最大位移。为了满足3D打印制造要求，肋骨方向受到一定悬挑角度限制，从而避免打印过程中出现支撑不足的问题。每增加一根肋骨后，程序都会重新进行有限元分析并更新位移场，直到结构最大位移满足设计要求为止。相比传统拓扑优化方法，MDT不需要对整个结构域进行大规模搜索，而是针对关键区域进行局部强化，因此能够显著降低计算时间并提高优化效率。

此外，为进一步降低模板变形，研究还结合了拉杆（Tie-rod）优化技术。研究首先将拉杆布置在结构位移最大的区域附近，然后通过优化算法不断调整其位置，以获得更优的受力效果。在加劲肋与拉杆共同作用下，模板整体刚度得到进一步提高，从而有效减小结构变形，同时避免因单纯增加材料而导致的质量增长问题。

实验部分采用双组分热固性材料Sika-Force 7818 L7及硬化剂Sika-Force 50，通过六轴机器人完成模板打印。打印完成后，研究采用3D数字图像相关技术（3D-DIC）测量模板在混凝土浇筑过程中的位移场，并将实验结果与有限元模拟结果进行对比，以验证模型的准确性和可靠性。

3. 研究结论

研究结果表明，本文提出的MDT方法能够有效提高3D打印热固性模板的结构性能，并显著降低计算成本。与传统GSM优化方法相比，MDT通过直接识别结构最大位移区域并进行局部强化，避免了全域拓扑搜索带来的高额计算量，因此其计算时间仅约为GSM方法的五分之一。同时，在满足相同位移控制要求的条件下，MDT能够进一步降低模板最大位移，并减少模板整体质量，说明该方法在提高结构性能的同时还实现了轻量化设计。

总体而言，本文提出的MDT方法不仅适用于矩形模板，也能够推广至复杂曲面模板结构优化中，并兼顾结构性能、材料利用率以及3D打印制造可行性，为未来复杂异形混凝土结构的数字化建造与3D打印模板设计提供了一种高效、可靠的新思路。