基于激光近净成形技术的桥梁模型制备方法研究

孙 贝

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

21世纪以来，桥梁作为基础交通设施的重要组成部分，随着国家经济的发展产生了巨变，研究工作重点也逐步从建设运营转变为检测、维护和性能分析。桥梁作为关键交通枢纽，其研究工作是我国经济实力、科学技术、生产力等综合国力的体现[1-2]。截止2018年底，全国公路桥梁数量相比2017年总座数增长2.3%，总长增加6.56%，其中包含不少施工难度大、技术复杂、科技含量高的桥梁结构[2-3]。据统计，2016年底世界上已建成的主跨跨径最大的前10座斜拉桥、悬索桥、拱桥和梁式桥中，我国分别占有7座、6座、6座和5座。然而，随着桥梁投入年限的增加，国内外近几年已建桥梁普遍出现使用寿命缩短、使用性能变差、经济指标下降等问题。我国当前危险桥梁的数量大幅度增加，不仅影响桥梁正常通行，威胁人民的生命和财产安全，同时给国家、社会造成养护、维修处置等巨大压力，容易造成社会资源和财力的浪费[4-5]。因此，桥梁结构安全性和耐久性的检测与评估，对提升桥梁在日益增长的交通量和载重量情况下的安全性和耐久性意义深远[6]。

1 桥梁结构模型试验与激光近净成形技术概述

桥梁结构模型试验可直观有效地分析新型桥梁结构以及复杂桥梁类型的受力状态，具有高效、便于操作、经济及环境友好等优势，是对桥梁承载力评价最有效的方法[7-8]。试验结构模型制作是桥梁模型试验工作的重要环节，模型需要满足材料合理、细部尺寸准确、各部件连接可靠以及施工步骤与施工图纸吻合等要求来保证试验结果准确可靠。然而，桥梁结构形式多样、种类繁多，传统模型制备方法时间长、消耗大、加工工具多样、尺寸精度差且一些复杂结构部件无法制备只能通过简化模型来解决，这就导致模型无法直接获得桥梁受力状况。因此，选择科学合理的模型制备方法十分关键。

激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）技术是一种利用高能激光束熔融材料进行结构件直接成形的新技术，与传统零件加工技术相比具有成形过程控制精度高、可实现复杂结构件直接成形、零件性能优越、节能环保、经济效益显著及应用领域广泛等优点，适合于新产品开发、单件零件、复杂形状零件制造，已实现金属、陶瓷等材料高效、低成本、近净制造[9]。本文创新性将LENS技术应用于桥梁结构模型制备中，并设计了一类可进行多种材料制备且构件致密性高、成分均匀，同时可直接高精度成形复杂形状构件的装置，可有效缩短桥梁模型的制备时间，降低成本，简化桥梁结构件制备工艺，更能直接推动桥梁科学模型技术的快速发展，对促进桥梁结构模型试验发展意义深远。

2 基于LENS技术的桥梁模型制备方法

基于LENS技术的桥梁模型制备方法一般根据预选定桥梁结构选择合理的模型材料及类型，并通过确定几何相似常数确定模型几何尺寸，最终绘制模型荷载分布图。同时，分解桥梁模型结构并确定部件加工顺序，确定各构件激光近净成形路径及工艺参数；通过分析成形构件尺寸、形状精度并结合桥梁结构模型荷载加载方式，开展多组试验获得桥梁受力状态，验证桥梁设计理论并据此优化桥梁施工工艺。本文制定了“理论研究-模拟试验-现场验证”相结合的研究方法，以LENS技术为基础，以桥梁模型材料、类型及荷载加载方式选择为前提，确定桥梁构件加工参数和装配方式，提出基于LENS技术的桥梁模型制备方法，最终利用模型试验结果验证了桥梁设计理论，优化桥梁结构施工工艺。本文利用LENS、并联机构、桥梁模型试验等理论基础，结合建筑业的发展需求，研究基于LENS技术的桥梁模型制备技术，总体技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

本文所提出桥梁模型制备方法以缩短模型制备时间为目标，实现单件、复杂结构件的近净制备，无需制备模具，去除后续零件加工工序，大大缩短了构件制备时间，降低成本。同时，以尽可能接近桥梁工程实体结构为目标，将激光近净成形技术引入到桥梁模型制备中，确定多种桥梁模型材料的制备工艺参数，分析复杂构件的成形工艺，为高尺寸和形状精度制备桥梁模型提供新的思路。

3 基于LENS技术的桥梁模型制备装置

图2 桥梁模型制备装置结构示意图

本文基于LENS、并联机器人技术设计了一类桥梁模型制备装置，主要包括机架、并联式移动机构、加载装置和电控系统四大部分，装备结构如图2所示，其中图2a为装置主视图，图2b为并联式移动机构结构图。机架主要包括底座1、模型移动导轨2、立柱6、放置台7和模型支撑导轨11等；并联式移动机构主要包括短导轨12、电机13、长导轨14、滑块15、万向铰16、伸缩杆17、球铰18和下平台19等；加载装置由喷头3、连接轴及其位移传感器4、储料仓5和气力输送装置9等组成；电控系统包括计算机及其采集模块8等。

本装置采用一体接地式机架，结构紧凑、强度大，避免了模型制备过程中由于装置变形引起的误差，立柱需均匀布置于底座4个顶角以增强设备稳定性，为桥梁模型的高精度制备建立了基础。模型移动导轨放置在立柱内侧的底座上，底座上均匀分布3组螺纹孔，通过连接不同螺纹孔调整其位置。模型支撑导轨两端为凸型结构，垂直放置在模型移动导轨上并与模型移动导轨上表面凹槽配合实现滑动；中间段为伸缩结构以适应模型移动导轨的不同间距。桥梁模型放置于模型支撑导轨上，通过调整模型移动导轨和模型支撑导轨位置以适应桥梁模型尺寸。模型移动导轨长度为模型支撑导轨长度的2～3倍。并联式移动机构主要用于控制喷头位置，实现桥梁结构模型的高精度制备。该机构中长导轨有两组，夹角为150°，对称分布在短导轨两侧且其长度为短导轨的3倍，实现不同方向喷嘴位移的变化。电机安装于导轨两侧，通过伸缩杆驱动滑块沿着导轨移动，带动下平台运动，实现喷嘴的精准定位。加载装置主要通过力气输送装置将材料送至喷嘴，实现桥梁结构成形。该机构通过下平台支撑，刀具和连接轴及其压力传感器同轴连接，位于下平台下端，下平台的短边平行对应于两长导轨的夹角边。

本文所述装置采用计算机自动控制实现桥梁模型制备形状参数的实时调整，并联式加载机构刚度高、加载空间大，空间内任意位置可精确操控，实现桥梁模型复杂形状的精准制备。模型移动导轨和模型支撑导轨位置可调，可宏观调控桥梁模型的尺寸，具有操作简单便捷、试验数值控制精度高等优势。

4 结论

本文提出了一种基于LENS技术的桥梁模型制备方法，为分析桥梁新结构型式、探索复杂桥跨桥结构受力状态提供一种新思路，并创新设计了一类桥梁模型制备装置可实现桥梁模型复杂形状的高精度制备。可以预见，随着桥梁新型材料的应用以及桥梁结构体系的创新，基于LENS技术的桥梁模型制备方法的适用性将大大增强，持续开展该方法研究对推动桥梁科学模型技术和桥梁实用工程建设的快速发展具有较大参考价值。