基于激光近凈成形技術的橋梁模型制備方法研究

孫 貝

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

21世紀以來，橋梁作為基礎交通設施的重要組成部分，隨著國家經濟的發展產生了巨變，研究工作重點也逐步從建設運營轉變為檢測、維護和性能分析。橋梁作為關鍵交通樞紐，其研究工作是我國經濟實力、科學技術、生產力等綜合國力的體現[1-2]。截止2018年底，全國公路橋梁數量相比2017年總座數增長2.3%，總長增加6.56%，其中包含不少施工難度大、技術復雜、科技含量高的橋梁結構[2-3]。據統計，2016年底世界上已建成的主跨跨徑最大的前10座斜拉橋、懸索橋、拱橋和梁式橋中，我國分別占有7座、6座、6座和5座。然而，隨著橋梁投入年限的增加，國內外近幾年已建橋梁普遍出現使用壽命縮短、使用性能變差、經濟指標下降等問題。我國當前危險橋梁的數量大幅度增加，不僅影響橋梁正常通行，威脅人民的生命和財產安全，同時給國家、社會造成養護、維修處置等巨大壓力，容易造成社會資源和財力的浪費[4-5]。因此，橋梁結構安全性和耐久性的檢測與評估，對提升橋梁在日益增長的交通量和載重量情況下的安全性和耐久性意義深遠[6]。

1 橋梁結構模型試驗與激光近凈成形技術概述

橋梁結構模型試驗可直觀有效地分析新型橋梁結構以及復雜橋梁類型的受力狀態，具有高效、便于操作、經濟及環境友好等優勢，是對橋梁承載力評價最有效的方法[7-8]。試驗結構模型制作是橋梁模型試驗工作的重要環節，模型需要滿足材料合理、細部尺寸準確、各部件連接可靠以及施工步驟與施工圖紙吻合等要求來保證試驗結果準確可靠。然而，橋梁結構形式多樣、種類繁多，傳統模型制備方法時間長、消耗大、加工工具多樣、尺寸精度差且一些復雜結構部件無法制備只能通過簡化模型來解決，這就導致模型無法直接獲得橋梁受力狀況。因此，選擇科學合理的模型制備方法十分關鍵。

激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）技術是一種利用高能激光束熔融材料進行結構件直接成形的新技術，與傳統零件加工技術相比具有成形過程控制精度高、可實現復雜結構件直接成形、零件性能優越、節能環保、經濟效益顯著及應用領域廣泛等優點，適合于新產品開發、單件零件、復雜形狀零件制造，已實現金屬、陶瓷等材料高效、低成本、近凈制造[9]。本文創新性將LENS技術應用于橋梁結構模型制備中，并設計了一類可進行多種材料制備且構件致密性高、成分均勻，同時可直接高精度成形復雜形狀構件的裝置，可有效縮短橋梁模型的制備時間，降低成本，簡化橋梁結構件制備工藝，更能直接推動橋梁科學模型技術的快速發展，對促進橋梁結構模型試驗發展意義深遠。

2 基于LENS技術的橋梁模型制備方法

基于LENS技術的橋梁模型制備方法一般根據預選定橋梁結構選擇合理的模型材料及類型，并通過確定幾何相似常數確定模型幾何尺寸，最終繪制模型荷載分布圖。同時，分解橋梁模型結構并確定部件加工順序，確定各構件激光近凈成形路徑及工藝參數；通過分析成形構件尺寸、形狀精度并結合橋梁結構模型荷載加載方式，開展多組試驗獲得橋梁受力狀態，驗證橋梁設計理論并據此優化橋梁施工工藝。本文制定了“理論研究-模擬試驗-現場驗證”相結合的研究方法，以LENS技術為基礎，以橋梁模型材料、類型及荷載加載方式選擇為前提，確定橋梁構件加工參數和裝配方式，提出基于LENS技術的橋梁模型制備方法，最終利用模型試驗結果驗證了橋梁設計理論，優化橋梁結構施工工藝。本文利用LENS、并聯機構、橋梁模型試驗等理論基礎，結合建筑業的發展需求，研究基于LENS技術的橋梁模型制備技術，總體技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

本文所提出橋梁模型制備方法以縮短模型制備時間為目標，實現單件、復雜結構件的近凈制備，無需制備模具，去除后續零件加工工序，大大縮短了構件制備時間，降低成本。同時，以盡可能接近橋梁工程實體結構為目標，將激光近凈成形技術引入到橋梁模型制備中，確定多種橋梁模型材料的制備工藝參數，分析復雜構件的成形工藝，為高尺寸和形狀精度制備橋梁模型提供新的思路。

3 基于LENS技術的橋梁模型制備裝置

圖2 橋梁模型制備裝置結構示意圖

本文基于LENS、并聯機器人技術設計了一類橋梁模型制備裝置，主要包括機架、并聯式移動機構、加載裝置和電控系統四大部分，裝備結構如圖2所示，其中圖2a為裝置主視圖，圖2b為并聯式移動機構結構圖。機架主要包括底座1、模型移動導軌2、立柱6、放置臺7和模型支撐導軌11等；并聯式移動機構主要包括短導軌12、電機13、長導軌14、滑塊15、萬向鉸16、伸縮桿17、球鉸18和下平臺19等；加載裝置由噴頭3、連接軸及其位移傳感器4、儲料倉5和氣力輸送裝置9等組成；電控系統包括計算機及其采集模塊8等。

本裝置采用一體接地式機架，結構緊湊、強度大，避免了模型制備過程中由于裝置變形引起的誤差，立柱需均勻布置于底座4個頂角以增強設備穩定性，為橋梁模型的高精度制備建立了基礎。模型移動導軌放置在立柱內側的底座上，底座上均勻分布3組螺紋孔，通過連接不同螺紋孔調整其位置。模型支撐導軌兩端為凸型結構，垂直放置在模型移動導軌上并與模型移動導軌上表面凹槽配合實現滑動；中間段為伸縮結構以適應模型移動導軌的不同間距。橋梁模型放置于模型支撐導軌上，通過調整模型移動導軌和模型支撐導軌位置以適應橋梁模型尺寸。模型移動導軌長度為模型支撐導軌長度的2～3倍。并聯式移動機構主要用于控制噴頭位置，實現橋梁結構模型的高精度制備。該機構中長導軌有兩組，夾角為150°，對稱分布在短導軌兩側且其長度為短導軌的3倍，實現不同方向噴嘴位移的變化。電機安裝于導軌兩側，通過伸縮桿驅動滑塊沿著導軌移動，帶動下平臺運動，實現噴嘴的精準定位。加載裝置主要通過力氣輸送裝置將材料送至噴嘴，實現橋梁結構成形。該機構通過下平臺支撐，刀具和連接軸及其壓力傳感器同軸連接，位于下平臺下端，下平臺的短邊平行對應于兩長導軌的夾角邊。

本文所述裝置采用計算機自動控制實現橋梁模型制備形狀參數的實時調整，并聯式加載機構剛度高、加載空間大，空間內任意位置可精確操控，實現橋梁模型復雜形狀的精準制備。模型移動導軌和模型支撐導軌位置可調，可宏觀調控橋梁模型的尺寸，具有操作簡單便捷、試驗數值控制精度高等優勢。

4 結論

本文提出了一種基于LENS技術的橋梁模型制備方法，為分析橋梁新結構型式、探索復雜橋跨橋結構受力狀態提供一種新思路，并創新設計了一類橋梁模型制備裝置可實現橋梁模型復雜形狀的高精度制備。可以預見，隨著橋梁新型材料的應用以及橋梁結構體系的創新，基于LENS技術的橋梁模型制備方法的適用性將大大增強，持續開展該方法研究對推動橋梁科學模型技術和橋梁實用工程建設的快速發展具有較大參考價值。