英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
用3D扫描和打印技术来进行自然结构面逆向建模
摘要
为了克服用于实验研究的表面形态相同的天然结构面标本的不足，我们提出了两种先进技术 - 三维（3D）扫描和3D打印 - 使用计算机辅助设计（CAD）作为#39;桥梁#39;。 该方法使用光学扫描设备和CAD利用天然岩石的结构面形态重建虚拟结构面标本的技术，3D打印机然后基于虚拟自然结构面用混凝土来快速、准确地制造模具或塑料标本。质量验证清楚地表明了这种方法减少了由于复制的天然形态节理样本之间的差异而导致的实验误差。
- 引言
岩体的强度和稳定性深受岩体固有的断裂和节理的影响。正如已被充分证明的那样：剪切破坏是岩体的一种共有特征，因此，影响自然节理或不连续面变形的剪切强度对地下隧道、岩石边坡和露天矿场等岩土工程项目的稳定性至关重要。在1966年第一次ISRM国际岩石力学会议上，Muller说到：“材料的变形阻力远小于节理摩擦产生的阻力，这种节理摩擦弥补了部分岩体损失的强度”。近年来，这种岩石节理的摩擦行为引起了很多学者和工程师的兴趣。剪切和压缩试验是人们理解自然岩体节理摩擦行为最重要的方式，例如剪切应力-位移曲线与峰值强度，自然表面的非均匀剪切损伤和压缩过程中的非线性正常变形，在这些实验室和现场原位测试的基础上，一些剪切强度标准已被建议用来确定自然岩石结构面的强度，例如巴顿模型、Ladanyi经验模型、巴顿经验模型、Amadei-Saeb分析模型Grasselli3D模型。所有这些杰出的工作表明，岩石节理的表面形态，量化表示为节理粗糙度系数（JRC），在剪切强度中扮演着极为重要的作用。
在天然岩石节理的实验研究期间，一套好的试验方案要求可以控制实验的变量，使得只有一个变量可以被分离和选择性的改变。因为即使同一来源也不存在两块完全相同的自然岩石节理，就算它们是从同一处结构面中取出，如果测试要求多个标本，经典试验也无法进行。因此，缺少足够的自然形态相同的节理样本一直以来限制了试验研究。目前，节理样本主要是用以下三种技术进行制作：（i）拉伸断裂，通常以与巴西测试类似的方式制造。（ii）锯齿状的平面节理或（iii）自然风化的节理和硅模具配合硅橡胶和铝模具。
尽管这三种制作结构面标本的方法已经被广泛接受，这是一个经验问题。这些方法会导致客观错误和增加时间消耗，因为这些方法大多无法表示具有复杂和不规则表面形状的天然结构面或者数字化这些结构面的表面。这并不意味着前述的传统的研究岩石结构面的方法是不当的，而是这些方法比起作为一个通用系统的基础，更适合应用于数量较少的原位试验。此外，这些传统的方法在收集和处理结构面形貌的数据上多有不便。事实上，目前生产重复标本方式的困境减少了对天然岩石节理性质的摩擦性质研究的兴趣。最近开发的3D扫描（3DS）和3D打印（3DP）技术，结合计算机辅助设计（CAD），充当连接3DS和3DP的桥梁，提供一种新的方式制造具有相同不规则性的实验标本结构面形态。3DS设备可以帮助数字化和表征三维结构面，具有快速、精度高、并没有损害的优点。 在这些天然节理的数字化数据的基础上，可以开发一些3D粗糙度参数来表征结构面表面并克服二维（2D）参数的缺陷。此外，3DP，也就是说，添加剂制造或添加剂层制造，允许直接从计算机自动生成自由形式的固体文件到一个真实的对象。这个3DP提供了一个新的途径用天然接合面的形态制作物理模具，因为这种技术可以用来打印结构面表面具有与原始结构面相同的形状。另外，CAD可以使用自然结构面表面的扫描数据用任何形状重建一个虚拟模型体用于实验。使用CAD可以通过3DP制造克隆结构面模型。因此，在印制的联合模具的基础上，通过可以被复制的相同的自然结构面做了大量的剪切和压缩测试。
在这些研究中，一种结合3DS和3DP技术的生产天然结构面标本的方法产生了。首先，使用光学扫描设备来数字化天然岩石的3D表面。利用得到的点云数据，使用CAD的方法将一个虚拟的结构面标本和自然结构面形态相结合。然后3D打印机将基于虚拟标本快速准确的制造物理模具。这样就可以基于硬刷模具用混凝土或塑料材料来大量制造结构面标本。原始联合数据之间的误差分析，打印的接合表面和物理表面的实际表面标本表明这种反转方法可以高效率高精度的复制自然岩石结构面到人造结构面标本。此外，直接剪切试验表明，复制结构面标本的剪切位移 - 力的曲线之间几乎没有分散。这些结果清楚地表明，所呈现的方法可以减少标本自己造成的实验误差，并为进一步的天然结构面的研究实验打开一扇新门。
- 天然结构面的三维虚拟重建
确定关节形状的一般方法包括接触式和非接触式方法。接触式方法要求操作员或用针头接触结构面表面并记录沿着所选轮廓的高度或超过预定区域。这些早期接触方法有一些缺点，因为它们在获取数据时费时间且在获取局部褶皱时不够精确。 非接触式方法，包括分析摄影测量法，He-Ne激光束技术，激光扫描方法和白光边缘技术，使用一种技术在没有身体接触的情况下进行断裂面测量。这些方法很大程度地提高了粗糙度测量的速度和准确性。
在这项研究中，Holon3D系统用于数字化整个使用非接触区域扫描的岩石接合表面。这个系统，精确度为plusmn;0.01mm，100*100*50mm的区域内，测量时间lt;3 秒，具有精度高，重复性好，速度快的优点并且易于使用。其测量系统由中央投影仪单元和两个电荷耦合器件（CCD）相机组成，它们分别链接到个人电脑来驱动系统并保存扫描数据，Holon3D系统的工作的理论是基于白光条纹图案用于接合表面的多频移相光栅。这些图案的图像由两台CCD相机拍摄，由于图像表面干扰而变得扭曲，使用投影机之间给定的相对偏移和角度和相机，相应的软件使用三角测量原理对这些图像中的每个像素的3D坐标进行计算。
-
- 三维关节面的数字化和重建程序
采用3DS设备和计算机辅助软件数字化和重新配置程序的虚拟结构面，包括四个主要步骤，如下所述。第一步：关节表面的预处理。 一旦关节面已经清洁，需要一个薄白色墨粉，喷上它以改善从中央投影仪和两个CCD相机中发射的白光的反射率。扫描系统可以计算对于可见像素仅在有限的10cm长度区域内的三维坐标。 因此，典型的关节表面的数字化需要来自不同位置的多个单独测量。为了组合单独测量的数据使用全局坐标系统的共同点云中的云，参考点（粘性圆形黑白色标记）需要贴在天然关节的表面。为了使点云成功整合，标记之间的距离应该是扫描窗口长度的十分之一到五分之一。第二步：3DS和数据集成。结构面标本是放置在扫描设备的测量窗下面，点云的一部分可以通过激活扫描仪并由相应的软件控制。如果该区域内感兴趣的结构面大于测量的大小窗口，需要通过以线性或曲线方式移动样本来获取多个测量值。原则上，需要保证每次测量窗口包括至少与以前的窗口三个重叠的参考点。扫描软件可以自动建立一个全局坐标系，并确定窗口中包含的所有参考点。以下全部点云测量，系统可以自动完成识别新的和预定义的参考点和用它们来自动调整新的测量数据放入全球坐标系统。那么，全球一体化的点云是在软件通过清理几个噪点引起的扫描错误，然后合并多点重叠云集合的帮助下进行的。噪音的主要贡献者点是不稳定的光反射率和环境骚乱。一般来说，噪声点数量很少（几个百），点云数量约有几百万。因此，噪音点对全球测量精度的影响很低。第三步：调整共同平面。 共同/中间最初获得的点云的最佳拟合平面（O-X-Y-Z）倾斜是因为不规则的接合表面不是水平的，在试验操作过程中样本经常移动。因此，调整合并点云的公共平面从倾斜到水平的位置是必要的，随后用CAD重建3D关节标本，其表达式见方程。考虑到这改变了独特的平面作为参考平面，结构面的切口更方便，且统计表面数据的结果更加稳定和普遍。这里，操作时需要一个4*4的矩阵阵型通过矩阵乘法对图形进行变换和旋转，公式如下：
其中a,b,c是初始倾斜平面方程（z = a bx cy）的参数，是a的初始位置添加开关元件#39;1#39;的3D点，Pu是3D点的相对于水平独特平面的调整位置，M和R分别是变换矩阵和旋转矩阵。第四步：3D虚拟标本的重建。 通过目前CAD技术，结构面可以通过点云使用专门开发的三角网不规则网络（TIN）网格来重建。这种方法离散化结构面的点云数据并导入连续的三角形，由它们的顶点和顶点定义矢量的方向垂直于三角形平面表面。然后，一个包含天然关节表面的3D虚拟物体是通过添加其他面获得的。这种离散化的方法接合表面对于建立一个虚拟的3D模型特别有利。
-
- 表征自然关节的点云数据
尽管上述方法通过使用数字化和CAD技术完成了从天然结构面标本到虚拟结构面模具的转化，对结构面的其他如幅度、棱角度、波动性和各项异性等形态特征任需通过二次处理来获得这些结构面数据。通过3D扫描仪获得的结构面点云数据间和获取的点数是一个变量，因为小表面的不规则光学反射和不规则的倾斜和大小造成了这种变化。因此，为定量分析的输出数据应该用数学方法将云团分成恒定的数据点，用间隔插值程度（例如Matlab[59]的Griddata函数）反距离加权插值来对原始点进行归一化。见附录A。该过程通常采用非线性插值。 考虑适当的插值间隔的重要性在数据收集和分析过程中避免信息丢失结构面的数字形态，因为太大的点间隔会损害数据的有用性而太小的点间隔会创建大文件大小并且需要较长的处理时间。两种方法给出了估计适当的插值间隔，在这项研究中为#39;Z#39;方向和#39;X-Y平面#39;。考虑图2a中描绘的样本，进行初步比较。首先在不同的插值间隔范围内执行沿轴#39;x#39;和#39;y#39;为0.03至1.0毫米。 统计独特平面的平均中间高度被用作评估指数（公式（4））。平均中高度不同下的偏差插值间隔列于表1中。平均的中间高度梯度值随着间隔的减小而减小，当插补间隔设置为0.1毫米时，相应的平均中间高度的梯度近似于0.02％。然后，“X-Y平面”中的分布密度也进行了分析。 一般来说，如果不止一个原始浊点存在于给定的插值框中长度，并且这种插值可以降低冗余度的浊点数据，有效的身高信息Z）可以在插值期间考虑，例如图3中的情况3。但是，如果间隔值太大那插值会部分失去点云的特性数据，例如图3中的情况1。而且，如果没有浊点位于边框长度太小的盒子中，插值间隔是无效的，例如在图3的情况2中。 给定点云的统计数量范围盒大约是frac12;Xs; X s 其中（X）是平均值和s是给定插值间隔下的标准偏差。原则上，如果满足公式，内插间隔是有效的，因为这个间隔可以达到插值和减少云点数据的冗余度的效果。但是，如果X-s太大，例如X-sgt; 10，插值间隔是无效的因为这个间隔会损害这个点用于岩石联合的云数据的特性。 统计值为0.1毫米，插值间隔显示对应的X sgt; 1。因此，考虑到计算机的计算能力，接下来的分析接受了0.1毫米的间隔的结构面形状。 准确地说，上述方法仍然不能产生最佳的插值分辨率区间，虽然这个基本分析可以提供有意义的用于估计适当间隔的信息。这个间隔可以获得清晰的等高线云图，并且不同位置的2D轮廓线也可以抽象。利用等间隔的标准化数字数据，可以很容易地实现关节形状的统计分析基于特征指标，如Z2、Rs 和Z2s。
- 结构面标本的复制
一旦三维虚拟结构面标本已经建成，可以使用3DP技术生产塑料模具。考虑到印刷联合模具作为母模板，许多关节标本几乎相同的表面形状可通过铸造混凝土或其他类似材料进行复制进入接头模具。
3.1 3DP用于联合模具
目前，一些普通的3DP设备和相应的印刷材料使用不同的成形方法用于生产物理项目已被开发出来。其中，使用熔融沉积建模（FDM）的3D打印机被广泛使用。该FDM打印机包含一个类似于X-Y-Z绘图仪的打印头。在印刷过程中，原材料主要是丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）或可生物降解的聚乳酸（PLA），这些材料被熔化在打印头上兵在建筑物桌上逐层沉积以生成3D结构面。打印之前，构建虚拟关节模型的数字文件使用CAD需要转换为标准格式，这些数字文件可由打印软件读取。一般来说，标准模板库或立体光刻（STL）格式是当前的印刷模型的行业标准。STL文件表示模型使用正常的三角形的有关坐标和外表面的信息。基本的打印参数如填充比例、印刷精度和层厚度等，应该在打印机的操作软件读取虚拟之前设置模型。打印操作只能在足够原始启动材料的时候可用。 实际上，这种印刷方法实现了数字联合模型直接转换为合由PLA材料制成的物理联模具。
3.2 物理关节标本的复制
为了获得天然岩石接缝的交配复制品，天然关节的上表面或下表面可以使用上述印刷PLA模具，用石膏或混凝土来构造。然后，通过浇注制成结构面复制品的另一个表面混凝土铺在第一面上。 这些关节标本的复制使用PLA模具包括以下主要步骤：第1步：安装PLA模具。 打印的父级联合模具应放置在铸铁箱内。PLA模具接合面的高度应为那个铁盒子的一半。这样，铸造的天然关节面将在标本的中间，这很方便用于直接剪切测试。步骤2：浇筑下部混凝土连接块。高强度水泥，砂和添加剂的混凝土混合物按照1:2:0.5重量分配作为所有复制品的原料。然后，这种混凝土被灌入含有接头模具铁箱中。当混凝土浇筑完毕时，打开铁盒，接合模具和混凝土块分离。天然结构面就可以被克隆在混凝土块上。步骤3：浇筑上部混凝土连接块。较低混凝土块在其与接合面的铁盒中被更换向上。然后，混合高强度混凝土是在将防护剂粉末喷洒到防护罩上之后，将防护剂灌入盒中（图6c和d）。与上一步类似，铁盒被打开，并且上部和混凝土凝固时，下部混凝土块会脱落。用这种方法，一对上下联合标本获得彼此完全耦合的块。 具体按照一般标准仔细维护标本。
总的来说，岩石节理的反向建模过程包括三个基本技术部
全文共7439字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[13503]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
