用于三维混凝土打印仿真的有限元建模技术

三维混凝土打印（3DCP）近年来广受欢迎。许多人认为，3DCP 将彻底改变建筑行业：带来无与伦比的美观性、更好的质量控制、更低的成本以及更短的施工时间。本文提出了两种用于仿真此类三维混凝土打印过程的有限元法（FEM）策略。这些模型旨在预测打印过程中（混凝土仍呈新鲜状态时）的结构行为，并估算最优打印速度和最大悬垂角度以避免打印失败。两种有限元分析均涉及求解多个静态隐式步，其中有限单元集合逐步添加直至失效。两种方法的主要区别在于三维模型的离散化方式。第一种方法使用体素化来近似三维形状，而第二种方法从定义刀具路径出发，并沿路径扫掠构造有限单元。文中给出一个案例研究来评估两种策略的有效性。两种模型彼此吻合良好，并获得了可比的结构响应。文中还讨论了模型的局限性与未来挑战。最终，本文展示了基于 FEM 的模型如何有效仿真复杂打印，并就能给出更优打印策略的建议。这些建议可涉及最大打印速度与悬垂角度，也可涉及最优层高与厚度、填充图案的具体选择，或引申至配合比设计。当能够避免打印失败时，该方法可节省时间、资源与总体成本。未来的工作将聚焦于这些数值模型的验证并将其与实验数据进行比较。