复杂超二次曲面人工石及其制备方法

摘要

本发明公开了一种复杂超二次曲面人工石及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：S1获得目标形态，S2柔性模具制备：根据目标形态制备出柔性模具，柔性模具包括上模具和下模具，上模具和下模具均形成有与目标形态相匹配的成型孔。S3人工石浆液浇筑：向上模具和下模具的成型孔内注入人工石浆液，然后将上模具和下模具连接，上模具的成型孔和下模具的成型孔围成成型腔，人工石浆液在成型腔内凝固形成人工石。S4柔性模具脱模：将上模具和下模具分离，批量脱模得到复杂超二次曲面人工石。上述复杂超二次曲面人工石及其制备方法，可以高效批量制备任意尺寸、任意长短轴比、任意球度的复杂超二次曲面人工石。

权利要求

1.一种复杂超二次曲面人工石的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1获得目标形态：设定目标粒径、长短轴比、圆度和短长轴比，3D打印形成；对于简单形态，直接购买得到；

S2柔性模具制备：将分割片安装于制作盒内，所述分割片将所述制作盒分割为上下两部分，将所述目标形态安装于分割片上与所述目标形态轮廓相适应的安装孔内，向所述制作盒内注入成型溶液，所述成型溶液凝固后将所述柔性模具从所述制作盒内取出；其中，所述分割片将所述柔性模具分为上模具和下模具，所述目标形态在所述上模具和所述下模具上分别形成成型孔；

S3人工石浆液浇筑：向所述上模具和所述下模具的成型孔内注入人工石浆液，然后将所述上模具和所述下模具连接，所述上模具的成型孔和所述下模具的成型孔围成成型腔，所述人工石浆液在所述成型腔内凝固形成人工石；

S4柔性模具脱模：将所述上模具和所述下模具分离，然后将人工石从所述上模具或所述下模具上分离；

所述分割片上设有连接孔，所述连接孔内穿设有预留柱；

在所述制作盒内注入成型溶液之前，将所述预留柱从所述连接孔内取出，所述制作盒内注入成型溶液后，所述成型溶液经所述连接孔流入到所述制作盒的下部；

然后将所述预留柱插回到所述连接孔内，以使所述预留柱在所述上模具和所述下模具上形成贯穿的螺栓孔。

2.根据权利要求1所述的复杂超二次曲面人工石的制备方法，其特征在于，所述成型溶液包括硅胶溶液和固化剂，所述硅胶溶液和所述固化剂的质量比为100:1。

3.根据权利要求1所述的复杂超二次曲面人工石的制备方法，其特征在于，所述成型溶液上下液面到中间所述分割片的距离相等。

4.根据权利要求1所述的复杂超二次曲面人工石的制备方法，其特征在于，将所述上模具和所述下模具连接的步骤具体为：将所述上模具扣合于所述下模具上；

将螺栓依次穿过下模具的螺栓孔、分割片的连接孔及上模具的螺栓孔，然后采用螺母锁紧螺栓。

5.根据权利要求4所述的复杂超二次曲面人工石的制备方法，其特征在于，所述螺栓的头部与所述下模具之间，及所述螺母和所述上模具之间均设有螺栓垫片，以对所述上模具和所述下模具施加均匀的压力。

6.根据权利要求1所述的复杂超二次曲面人工石的制备方法，其特征在于，所述向所述上模具和所述下模具的成型孔内注入人工石浆液的步骤具体为：将人工石浆液分别倒入所述下模具中和所述下模具中，并刮平所述上模具和所述下模具，使得浆液不溢出模具。

7.根据权利要求1所述的复杂超二次曲面人工石的制备方法，其特征在于，将人工石从所述上模具或所述下模具上分离的步骤具体为：将柔性模具局部张拉和毛刷反复搓揉的方法，并配合高压水流冲洗，将上模具或下模具中人工石批量脱模。

8.一种复杂超二次曲面人工石，其特征在于，采用权利要求1‑7任意一项所述的复杂超二次曲面人工石的制备方法制备得到。

说明书

复杂超二次曲面人工石及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及岩土试验技术领域，具体涉及一种复杂超二次曲面人工石及其制备方法。

背景技术

[0002] 岩土体中块石的含量和形态特征决定着岩土体的整体力学性能和变形行为，为定量分析块石含量和形态对岩土体力学性能的影响，需要大批量制备能够定量表征块石形态的人工石。

[0003] 当前通过不同水泥标号、不同的水泥：砂：水的配比，在不同的养护条件下，可以制备具有多种强度、刚度，且物理性质稳定的人工石。制备的规则人工石具有与真实块石类似的强度、刚度，以及破碎特性，可以代替土工试验中具有高昂加工成本和加工难度的真实规则块石。

[0004] 常用块石形态多为长方体人工石，但相比仅能定量反映块石尺寸和长短轴比的方形块石，已有研究表明三维超二次曲面还可以定量表征块石的圆度，可以更为有效反映块石的真实形态。然而由于形态为超二次曲面的块石加工难度大，加工成本高，无法制备大批量的超二次曲面块石。仅能在数值分析中采用超二次曲面块石分析块石圆度对岩土体力学性能的影响，还未能在土石试验过程中，定量分析块石圆度。

[0005] 虽然可以采用刚性模具制备规则人工石，然而刚性模具制作成本高昂，硬化后的人工石取样困难，人工石制备成功率极低，无法批量制备人工石，也无法自定义块石圆度。即便最新的柔性模具人工石制备方法，但需要逐一注射人工石浆液和逐一挤出硬化后的人工石，人工石制备效率低，无法满足实际土工试验需要，且当前仍未能制备超二次曲面人工石。

发明内容

[0006] 基于此，有必要针对现有人工石制备方法，无法批量制备人工石，人工石制备效率低，以及无法制备超二次曲面人工石的问题，提供一种复杂超二次曲面人工石及其制备方法。

[0007] 一种复杂超二次曲面人工石的制备方法，包括以下步骤：

[0008] S1获得目标形态：设定目标粒径、长短轴比、圆度和短长轴比，3D打印形成；对于简单形态，直接购买得到；

[0009] S2柔性模具制备：将分割片安装于制作盒内，所述分割片将所述制作盒分割为上下两部分，将所述目标形态安装于分割片上与所述目标形态轮廓相适应的安装孔内，向所述制作盒内注入成型溶液，所述成型溶液凝固后将所述柔性模具从所述制作盒内取出；其中，所述分割片将所述柔性模具分为上模具和下模具，所述目标形态在所述上模具和所述下模具上分别形成成型孔；

[0010] S3人工石浆液浇筑：向所述上模具和所述下模具的成型孔内注入人工石浆液，然后将所述上模具和所述下模具连接，所述上模具的成型孔和所述下模具的成型孔围成成型腔，所述人工石浆液在所述成型腔内凝固形成人工石；

[0011] S4柔性模具脱模：将所述上模具和所述下模具分离，然后将人工石从所述上模具或所述下模具上分离。

[0012] 在其中一个实施例中，所述成型溶液包括硅胶溶液和固化剂，所述硅胶溶液和所述固化剂的质量比为100:1。

[0013] 在其中一个实施例中，所述成型溶液上下液面到中间所述分割片的距离相等。

[0014] 在其中一个实施例中，所述分割片上设有连接孔，所述连接孔内穿设有预留柱；

[0015] 在所述制作盒内注入成型溶液之前，将所述预留柱从所述连接孔内取出，所述制作盒内注入成型溶液后，所述成型溶液经所述连接孔流入到所述制作盒的下部；

[0016] 然后将所述预留柱插回到所述连接孔内，以使所述预留柱在所述上模具和所述下模具上形成贯穿的螺栓孔。

[0017] 在其中一个实施例中，将所述上模具和所述下模具连接的步骤具体为：

[0018] 将所述上模具扣合于所述下模具上；

[0019] 将螺栓依次穿过下模具的螺栓孔、分割片的连接孔及上模具的螺栓孔，然后采用螺母锁紧螺栓。

[0020] 在其中一个实施例中，所述螺栓的头部与所述下模具之间，及所述螺母和所述上模具之间均设有螺栓垫片，以对所述上模具和所述下模具施加均匀的压力。

[0021] 在其中一个实施例中，所述向所述上模具和所述下模具的成型孔内注入人工石浆液的步骤具体为：

[0022] 将人工石浆液分别倒入所述下模具中和所述下模具中，并刮平所述上模具和所述下模具，使得浆液不溢出模具。

[0023] 在其中一个实施例中，将人工石从所述上模具或所述下模具上分离的步骤具体为：

[0024] 将柔性模具局部张拉和毛刷反复搓揉的方法，并配合高压水流冲洗，将上模具或下模具中人工石批量脱模。

[0025] 一种复杂超二次曲面人工石，采用上述任意一项所述的复杂超二次曲面人工石的制备方法制备得到。

[0026] 上述复杂超二次曲面人工石及其制备方法至少具有以下优点：

[0027] 1、可以高效批量制备任意尺寸、任意长短轴比、任意球度的复杂超二次曲面人工石，进一步可以将真实块石作为目标形态，批量制备与真实块石形态一致的复杂形态人工石，具有广泛的适应性和可操作性。

[0028] 2、制作柔性模具仅需成型溶液和目标形态，制作方法简单，人工石的浇注方法简单，易于操作，无需特殊设备，整体制作成本低廉。

[0029] 3、通过柔性模具的局部拉伸和毛刷的反复刷动，可以快速、轻便的将硬化后的人工石从柔性模具中取出。整个过程操作简单、执行效率高，可以高效、低成本地批量脱模复杂超二次曲面人工石。

附图说明

[0030] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

[0031] 图1为一实施方式中超二次曲面人工石不同圆度的示意图；

[0032] 图2为一实施方式中复杂超二次曲面人工石的制备方法的流程图；

[0033] 图3为一实施方式中目标形态和分割片的结构示意图；

[0034] 图4为一实施方式中分割片和制作盒的示意图；

[0035] 图5为分割片安装到制作盒内并注入成型溶液的示意图；

[0036] 图6为制备出的柔性模具的示意图；

[0037] 图7为图6所示柔性模具进行组装的示意图；

[0038] 图8上模具和下模具相连接的示意图；

[0039] 图9为使柔性模具局部变形、采用毛刷和水流冲洗的示意图。

[0040] 附图标记：

[0041] 10‑目标形态，20‑制作盒，30‑分割片，32‑安装孔，34‑连接孔，40‑预留柱，52‑上模具，54‑下模具，56‑成型孔，58‑螺栓孔，62‑螺栓，64‑螺母，66‑螺栓垫片，72‑固定轴，74‑毛刷，76‑高压水枪。

具体实施方式

[0042] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。

[0043] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

[0044] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

[0045] 请参阅图1，一实施方式中复杂超二次曲面人工石的制备方法，用于制备出复杂超二次曲面的人工石。其中，三维超二次曲面由5个形态参数控制，其显式方程和5个形态参数如下所示：

[0046]

[0047] 式中，Ri代表不同方向的半径，R1为x方向半径，R2为y方向半径，R3为z方向半径，半径Ri控制着块石在不同方向下的尺寸、长短轴比、中短轴比。x、y、z为块石在三维直角坐标系的数值，ε1和ε2为圆度指数，圆度指数εi控制着块石的圆度。

[0048] 当εi＝0时，块石为长方体；εi＝1时，块石为椭球体；εi＝2时，块石为八面体。可以看出通过圆度指数εi，超二次曲面可以定量描述不同圆度的块石形态，从而准确定量表征块石形态。

[0049] 请参阅图2，具体地，本实施方式中的复杂超二次曲面人工石的制备方法，包括以下步骤：

[0050] 步骤S1：获得目标形态10。

[0051] 请一并参阅图3，具体地，设定目标粒径、长短轴比、圆度及短长轴比，然后3D打印生成目标形态10。对于简单形态的目标形态10，可以直接购买得到，以节约成本。在本实施方式中，目标形态10采用球形的玻璃珠。

[0052] 步骤S2：柔性模具制备。

[0053] 请参阅图3至图5，具体地，选择一个制作盒20制作人工石的柔性模具，在制作盒20的一定高度处固定一个与制作盒20尺寸一致的刚性分割片30，刚性分割片30将制作盒20对称分割，刚性分割片30将制作盒20分隔为上下两部分。

[0054] 在一实施方式中，分割片30可以与制作盒20过赢配合，实现分割片30卡设在制作盒20内。当然，分割片30也可以通过其他方式安装在制作盒20内，如通过卡扣结构或者磁吸结构。

[0055] 分割片30上设有多个安装孔32，安装孔32在分割片30上均匀分布，目标形态10安装于安装孔32内，安装孔32采用机床精确切割加工而成，其轮廓与目标形态10的轮廓相适应。在本实施方法中，目标形态10为球体，安装孔32为圆孔，安装孔32的直径略小于目标形态10的直径。

[0056] 请参阅图6及图7，然后向制作盒20内注入成型溶液，成型溶液凝固后将柔性模具从制作盒20内取出。其中，分割片30将柔性模具分割为上模具52和下模具54，由于分割片30上设有目标形态10，目标形态10在上模具52和下模具54的拼接面上分别形成成型孔56。

[0057] 在一实施方式中，分割片30上设有连接孔34，连接孔34内穿设有预留柱40。其中，连接孔34设有四个，四个连接孔34在分割片30上呈两排两列阵列分布，四个连接孔34均插设有预留柱40。

[0058] 在制作盒20内注入成型溶液之前，将其中一个预留柱40从连接孔34内取出，因此注入制作盒20内的成型溶液，可以通过该连接孔34流入到制作盒20的下部，实现整个制作盒20充满成型溶液。

[0059] 在制作盒20内充满成型溶液后，将预留柱40插回到连接孔34内，预留柱40其中一端与制作盒20的底壁接触，预留柱40的另一端穿出成型溶液外，以使预留柱40可以在上模具52和下模具54上形成贯穿的螺栓孔58，以便于后续上模具52和下模具54的连接。

[0060] 在一实施方式中，成型溶液包括硅胶溶液和固化剂，硅胶溶液和固化剂的质量比为100:1，以配置出无气成型溶液。成型溶液上下液面到中间分割片30的距离相等，可以实现制备出的上模具52和下模具54的厚度相等，保证后续制备人工石过程中，人工石所受的作用力相同。可以理解的是，在其他实施方式中，成型溶液也可以为其他溶液，只要能够固化形成柔性模具即可。

[0061] 步骤S130：人工石浆液浇筑。

[0062] 在一实施方式中，向上模具52和下模具54的成型孔56内注入人工石浆液，然后将上模具52和下模具54连接，上模具52的成型孔56和下模具54的成型孔56围成成型腔，人工石浆液在成型腔内凝固形成人工石。

[0063] 请一并参阅图8，具体地，将人工石浆液分别倒入上模具52和下模具54中，并刮平上模具52和下模具54上的人工石浆液，使得人工石浆液不溢出模具。

[0064] 然后，随着时间增加，人工石浆液流动性降低，不会流出时，将上模具52扣合于下模具54上，此时上模具52成型孔56和下模具54成型孔56对齐围成成型腔，成型腔内具有人工石浆液。

[0065] 接着将螺栓62依次穿过下模具54的螺栓孔58、分割片30的连接孔34及上模具52的螺栓孔58，然后采用螺母64锁紧螺栓62，实现将上模具52和下模具54组装在一起，使上模具52和下模具54紧密贴合，从而产生完整的球形人工石。

[0066] 在一实施方式中，螺栓62的头部和下模具54之间设有螺栓垫片66，以及螺母64和上模具52之间设有螺栓垫片66，以对上模具52和下模具54施加均匀的压力。

[0067] 步骤S4：柔性模具脱模。

[0068] 具体地，将上模具52和下模具54分离，然后将人工石从上模具52或下模具54上分离。

[0069] 在一实施方式中，待24h浆液初步硬化后，拆除所有螺栓62，将上模具52和下模具54分离。由于柔性模具与人工石刚度相差巨大，故球形人工石可以方便地与上模具52和下模具54分离。分离过程中部分球形人工石会直接掉落，余下的球形人工石要么粘连在上模具52中，要么粘连在下模具54中。

[0070] 请参阅图9，对粘连有部分球形人工石的上模具52和下模具54，可以通过柔性模具局部张拉和毛刷74反复搓揉，以及配合高压水流冲洗的方法，将上模具52和下模具54中含有球形人工石进行批量脱模。

[0071] 具体地，柔性模具局部张拉可将柔性模具套设在固定轴72上，固定轴72张拉柔性模具，然后毛刷74反复搓揉人工石，高压水枪76在上方喷出高压水流冲洗，使人工石从模具上脱落。

[0072] 本发明还公开了一种复杂超二次曲面人工石，采用上述复杂超二次曲面人工石的制备方法制备得到。由于可以通过3D生成满足特定尺寸、棱度、长短轴比，以及特定扁平率的目标超二次曲面颗粒，从而采用以上方法可以批量、高效制备与目标形态10形态相同的人工石。

[0073] 上述复杂超二次曲面人工石及其制备方法至少具有以下优点：

[0074] 1、可以高效批量制备任意尺寸、任意长短轴比、任意球度的超二次曲面人工石，进一步可以将真实块石作为目标形态，批量制备与真实块石形态一致的复杂形态人工石，具有广泛的适应性和可操作性。

[0075] 2、制作柔性模具仅需成型溶液和目标形态10形态，制作方法简单，人工石的浇注方法简单，易于操作，无需特殊设备，整体制作成本低廉。

[0076] 3、通过柔性模具的局部拉伸和毛刷74的反复刷动，可以快速、轻便的将硬化后的人工石从柔性模具中取出。整个过程操作简单、执行效率高，可以高效、低成本地批量脱模复杂超二次曲面人工石。

[0077] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。