新论文：基于近场动力学方法的3D打印混凝土结构各向异性行为研究
本帖最后由 hdy 于 2025-5-11 23:51 编辑DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2025.10776450天（2025年5月30日前）免费访问链接:https://authors.elsevier.com/c/1kvhmAQPsFBe5论文参考文献格式:Zhu J, Cervera M, Ren X*. Peridynamic anisotropic behavior analysis of 3D-printed concrete structures. Computers & Structures, 2025, 314: 107764.
研究背景3D打印技术摒弃了对施工模板的依赖，融合了计算机控制、数字化建模等先进手段，实现了结构的高效、精准建造，推动了传统施工方式的深刻变革。同时，可打印结构形式具有较大的自由度，为复杂结构的建造提供了广阔的空间。凭借上述优势，3D打印在建筑领域的应用日益广泛，展现出强劲的发展潜力。新的建造技术在拓展技术边界的同时也带来了新的问题。层层堆叠的建造方式，会在打印层之间形成薄弱界面，造成不同加载方向上力学行为的差异，即各向异性。各向异性不仅会削弱垂直于界面方向上的力学性能，而且会引发应力响应不均、层间裂缝扩展等问题，增加结构的失效风险。然而，现有研究主要集中在实验试件层面，尚缺乏适用于工程结构的精确计算方法，对各向异性形成的机制及影响因素也缺乏系统性认识。因此，有必要建立3D打印混凝土结构的各向异性分析方法，深入研究其成因与影响机制，为打成结构的性能评估与设计优化提供理论支撑与技术指导。
内容概述本研究主要包含两方面的创新：
[*]利用近场动力学方法，通过对连接键的类型划分与强度调控，实现了对层/条间界面的简化建模，建立了适用于结构层次分析的高效数值计算方法；
[*]深入研究了3D打印混凝土结构的静力和动力各向异性行为，明晰了各向异性的关键影响因素，为各向异性控制与最佳打印方向预测提供了重要指导。
各向异性计算方法的建立层/条间界面的模拟是开展打印结构各向异性行为研究的关键。这里，基于近场动力学方法，通过对连接键的类型划分和强度调控，来模拟层/条间界面。并引入双标量弹塑性损伤模型来全面描述混凝土的非线性。由于动力作用会加剧各向异性行为，对动态效应也进行了精细化考虑。1连接键的类型划分以图1为例，随着喷嘴沿打印路径（橙色线）移动，打印层之间形成了平行于xy平面的层间界面，打印条带之间形成了平行于yz平面的条间界面。由于相邻打印层、条带之间的打印间隔不同，将连接键划分为三种类型：层间键、条间键和条内键。这可以通过对离散粒子编号（层号-条带号），进行实现。
图1. 连接键的类型划分示意图2打印界面模拟根据连接键的类型，可以识别打印界面，从而进行界面行为的模拟。相关研究表明，打印界面的薄弱行为通常表现为粘结强度的降低。因此，可通过引入强度折减系数，来模拟界面行为。为考虑层间和条间界面的强度差异，采用两个折减系数分别进行描述。如图2所示，条内键不跨越任何界面，直接采用双标量弹塑性损伤模型进行模拟；条间键和层间键，则引入折减系数来进行强度折减。通过这种定义，打印界面最初会表现出弹性行为，随后会出现界面损伤并逐渐发展，最终发生失效，界面行为能够得到真实再现。
图2. 界面行为模拟的示意图3动力效应模拟在动力荷载作用下，混凝土的力学性能（如强度、峰值应变等）会随加载速率的增加而增加。此时，需要考虑非线性和率效应的耦合。粘性损伤模型能够在低速和中速加载条件下，较好地模拟这种耦合效应，可将其用于混凝土动力效应的建模。此外，传统近场动力学方法在模拟动力问题时存在明显的数值不稳定性。计算结果中的数值振荡和零能模式较为突出，严重影响了模拟精度。为保证动力问题的模拟的精度，引入粘性力态来增强近场动力学方法的数值稳定性。4数值实现通过上述定义，可以实现对层/条间界面的简化建模。并且，能够在材料和数值层面同时考虑动力效应。从而，建立起3D打印混凝土结构各向异性行为的计算方法（图3）。
图3. 各向异性计算的流程图
方法验证
通过对3D打印混凝土各向异性试验的模拟，来验证所提方法的有效性。模拟对象包括静力和动力试验，并输出不同加载方向上的计算结果，以评估对各向异性行为的模拟能力。1静力试验对同一批打印试件的压缩和弯曲试验进行模拟（图4），开展静力作用下的验证。如图5所示，模拟结果与压缩、弯曲试验结果均表现出良好的一致性，证明了所提方法的有效性。在压缩结果中，现浇试件由于不含薄弱界面，强度最高。在不同加载方向的计算结果中，Fx最高，其次是Fy和Fz，模拟结果也呈现出相同的趋势。在弯曲结果中，x方向的弯曲承载力最低。这是因为沿x方向加载时，裂纹扩展方向与打印界面平行，模拟结果也捕捉到了这一现象。
图4. 静力试验示意图（a）压缩试验（b）弯曲试验
图5. 静力试验结果与数值模拟结果的对比（a）压缩试验（b）弯曲试验2动力试验对同一批打印试件在不同应变率下的霍普金森杆试验进行模拟（图6），开展动力作用下的验证。如图7所示，不同应变率下的计算结果与试验结果均呈现出较好的一致性，证明了所提方法的有效性。动力强度大于静力强度，证明了对混凝土动力效应的模拟能力。在动力作用下，不同加载方向之间的强度差异较大，表现出更明显的各向异性行为，说明了考虑动态效应的必要性。
图6. 动力试验示意图
图7. 动力试验结果与数值模拟结果的对比
打印结构的各向异性行为分析
基于验证方法，以一个3D打印混凝土拱桥为例，开展打印结构的各向异性行为分析。1研究对象如图8所示，该拱桥由两个圆弧段和一个直段构成。结构的直线段承受竖向的面分布荷载，底部支座受到固定约束。这里，仅考虑层间界面。为了研究各向异性行为，考虑3个打印方向。当采用y打印方向时，层间界面将沿着结构轮廓形成，具有最大的层间界面面积。对于x和z打印方向，层间界面平行于结构的宽度方向。
图8.（a）拱桥尺寸和层间界面分布（b）沿x方向打印（c）沿y方向打印（d）沿z方向打印2重力荷载下的计算结果进行重力荷载作用下的结构承载力计算，来研究静力各向异性行为。通过参数研究，分析了时间间隔、打印层高和混凝土强度对打印结构各向异性的影响。如图9所示，现浇结构的承载力最高，表明各向异性会损害结构的安全性，说明了控制各向异性行为的必要性。随着时间间隔的减小，3个打印方向之间的承载力差异减小。可以认为，减小时间间隙是抑制打印结构各向异性的有效方法但是，时间间隔还关系着打印结构的可建造性。因此，需要权衡可建造性和各向异性，来进行打印间隔的设计。与时间间隔相比，打印层高、混凝土强度对对不同打印方向承载力差异的影响较小，在打印结构的各向异性行为中作用较小。
图9. 打印结构承载力的计算结果（a）时间间隔的影响（b）打印层高的影响（c）混凝土强度的影响根据计算结果，可以将承载力最高的打印方向确定为最优打印方向。有趣的是，最优打印方向随时间间隔在3个方向之间变化。为研究这一现象，对两种不同时间间隔下的损伤云图进行了对比分析。如图10所示，当时间间隔较大时，损伤带集中在圆弧段上。y打印方向的裂纹带C-C'不如x（A-A'和B-B'）和z（C-C'）打印方向的裂纹带明显，因此承载力最高。而当时间间隔较小时，损伤分布变得分散。此时，z方向超越y方向，成为最优打印方向。这表明打印结构的各向异性与裂纹模式高度相关，可为抑制各向异性行为提供另一种思路。结合图9中的打印界面分布，可知界面方向和界面面积都会影响裂纹模式，因此难以通过理论分析直接确定最佳打印方向，说明了开展数值模拟的必要性。
图10. 不同打印方向下结构的损伤云图（a）长时间间隔（b）短时间间隔3爆炸荷载下的计算结果为研究动力各向异性行为，进行了空中爆炸作用下结构承载力的计算（图11）。将爆炸过程简化为压力变化曲线。为模拟压力波的球形传播，将压力变化曲线作为分布面荷载施加于拱桥底面。为模拟不同加载速率，考虑了5种炸药质量：M= 20, 40, 60, 80, 100g。
图11.（a）空中爆炸示意图（b）爆炸荷载示意图首先，对爆炸载荷作用下结构的损伤结果进行了研究。如图12所示，拱桥在小质量炸药作用下的损伤较小。当使用大质量炸药时，结构损伤严重，在圆弧段和直线段均形成了可见的裂纹带。这表明在动力载荷作用下，界面更容易发生损伤，会加重界面的薄弱行为。这加剧了不同打印方向之间的损伤分布差异，表现出更强的各向异性。
图12. 不同打印方向下结构的损伤云图（a）小质量炸药（b）大质量炸药接着，移除爆炸作用，引入重力荷载，计算拱桥的残余承载力。如图13所示，残余承载力随炸药量的增加而下降，但3个打印方向的下降速度不同。为解释这一现象，对炸药量增加下结构的损伤发展过程进行了研究（图14）。起初，三种打印方向上主要裂纹带的分布差异不大，残余承载力的下降速度相似。随着炸药量的增加，y打印方向上的损伤发展集中在直线段，而x和z打印方向上的损伤发展则集中在圆弧段，并出现多条裂缝带。这进一步证明了裂纹模式对打印结构各向异性行为的显著影响。
图13. 不同炸药质量下打印结构的残余承载力
图14. 裂纹的形成过程（a）沿x方向打印（b）沿y方向打印（c）沿z方向打印
结论
本文面向打成结构的性能评估与设计优化需求，建立了3D打印混凝土结构的各向异性分析方法。并以一个3D打印拱桥为例，对静力和动力各向异性行为进行了系统研究。主要结论如下：
[*]通过连接键的类型划分与强度调控，可以实现层/条间界面的简化建模，建立适用于结构层次分析的高效数值计算方法；
[*]通过引入粘性损伤模型和稳定力态，可以实现动力效应在材料和数值层面的全面考虑，保证对动力问题的模拟精度；
[*]打印结构的各向异性会损害结构安全性，特别是在动力荷载作用下。减小打印时间间隔和控制裂纹扩展模式可以实现对各向异性行为的有效抑制；
[*]打印结构的各向异性使得打印存在最优方向，由于界面方向和面积均对其具有重要影响，需要通过数值模拟进行准确预测。
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