智能土工光纤格栅、加工方法以及数字孪生制作平台

1.本发明涉及高端装备制造领域，特别是一种智能土工光纤格栅、加工方法以及数字孪生制作平台。


背景技术：

2.基于我国寒区高速铁路的高速发展，寒区高速铁路的病害也逐渐展现开来，当高速铁路路基经受过若干次的冻融循环之后，特别是冻融循环-干湿循坏-列车振动作用下，路基发生了变形失稳、路基塌陷沉降、冻结期间膨胀等病害现象发生。土工格栅常用于寒区高速铁路的路基加固工程，伴随着极端温度情况，往往会出现破损失效的情况，由于土工格栅的使用环境通常为隐蔽环境，且更换土工格栅时需要对路基进行拆除，因此土工格栅不具备更换条件，因此急需可以应用到寒区并捕捉到路基内部地质信息的智能土工格栅。
3.现有技术中将光纤设置在土工格栅上一般通过以下两种方式。第一种方式，是将光纤直接使用胶体贴附在土工格栅表面，其缺点是光纤成为土工格栅以外的一种附属结构。当土工格栅在真实的环境中承受较大冲击荷载时，光纤与土工格栅一致性较差，往往不会同时产生变形，进而造成测量的数据不准确的情况。此时，光纤测出来的形变并不能代表土工格栅真实的形变。同时由于光纤的保护性不好，在承受冲击荷载的情况下极易造成光纤被拉断，无法获得真实的数据。另外，由于光纤使用环境通常是隐蔽环境，且不具备更换的可能性，且光纤的造价一般较高，导致贴附有光纤的土工格栅的造价很高。
4.第二种方式，是使用3d打印技术打印土工格栅，并且将光纤直接打印进入土工格栅之内。其存在的缺陷是：3d打印技术形成的材料具有正交各向异性的力学性质，其力学性能不如现有的土工格栅，导致土工格栅自身的性能损伤，使其土工格栅的强度大幅度下降，尽管增加了许多功能，但却使土工格栅丧失了自身抗拉抗冲击的性能，因此现有的土工格栅材料无法较好的与3d打印技术进行融合。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种智能土工光纤格栅及其加工方法，既实现了光纤光栅与土工格栅之间的一致性，同时还保证了土工格栅的抗拉抗冲击性能，使该智能土工光纤格栅能够较好的应用于寒区工作环境。
6.本发明的技术方案是：一种智能土工光纤格栅，其中，包括数个相互连接的土工格栅单元，土工格栅单元包括：
7.三个土工格栅条：三个土工格栅条相互连接，并相交于各土工格栅条的中点处，交点处设有土工格栅单元中心；
8.分布式光纤光栅条形传感器、以及形状记忆合金材料：分布式光纤光栅条形传感器位于形状记忆合金材料的上方，分布式光纤光栅条形传感器沿土工格栅条的长度方向连续设置，并贯穿土工格栅单元中心。
9.本发明中，土工格栅单元的上表面处设有土压力传感器；
10.土工格栅单元的下表面处设有微型盐分浓度传感器，微型盐分浓度传感器的外侧设有保护壳；
11.土压力传感器、微型盐分浓度传感器与通信电缆连接，分布式光纤光栅条形传感器与通讯光缆连接。
12.土工格栅条的两端分别设有热电偶芯片，热电偶芯片位于分布式光纤光栅条形传感器的上方，热电偶芯片与通信电缆连接。
13.每个土工格栅条均被土工格栅单元中心分为两段格栅边，沿土工格栅单元中心的环形外侧间隔设置六段格栅边，各段格栅边的长度均相等，且相邻格栅边之间的夹角均为60
°
。
14.所述形状记忆合金材料沿土工格栅条的长度方向连续设置，不贯穿土工格栅单元中心；
15.形状记忆合金材料由含量为17.24-16.25％的ti、含量为23.56-26.58％的ni、以及含量为60.12-72.35％的cu，通过激光熔融沉积增材制造技术制备而成。
16.土工格栅单元中心的环形外侧有六个相邻的土工格栅单元，土工格栅单元中心与其相邻的土工格栅单元的土工格栅单元中心之间通过格栅边固定连接。
17.本发明还包括一种上述智能土工光纤光栅的加工方法，包括以下步骤：
18.s1.在聚合物板材的上表面进行机械冲孔并刻槽，对聚合物板材进行定向拉伸，拉伸后在聚合物板材的上表面形成孔洞和凹槽；
19.s2.在凹槽的底部喷射固化胶，向固化胶内放置形状记忆合金材料、分布式光纤光栅条形传感器，将凹槽覆盖填平；
20.s3.对土工光纤格栅进行加热，使形状记忆合金材料的体积产生不可逆的收缩，形状记忆合金材料收缩的同时会使土工光纤格栅与分布式光纤光栅条形传感器共同收缩，在土工光纤格栅内部产生预应力；
21.s4.对土工光纤格栅单元进行性能测试，将各土工光纤格栅单元固定连接，形成智能土工光纤格栅。
22.步骤s2中，将土压力传感器放置在第一土工格栅条、第二土工格栅条、第三土工格栅条相交的交点上表面处，将微型盐分浓度传感器放置在交点的下表面处。在三个土工格栅条两端的凹槽内分别放置热电偶芯片；
23.使用光固化胶将凹槽覆盖填平，并通过暴晒灯对光固化胶进行固化。
24.步骤s3中，使用位移控制加热平板对土工光纤格栅进行加热；
25.位移控制加热平板包括两块平板，平板分别设置在土工光纤格栅的上表面和底部表面，将土工光纤格栅夹紧在两平板之间，平板内设有温度控制机构；
26.通过平板内的温度控制机构对土工光纤格栅进行加热。
27.本发明还包括一种实现上述加工方法的数字孪生制作平台，包括：
28.数据输入部分，按照土工光纤格栅使用的目标区域对土工光纤格栅进行建模；
29.基础数据部分，结合目标区域的使用范围对土工光纤格栅的基础信息进行bim建模；
30.技术控制部分，控制土工光纤格栅的加工步骤；
31.交互展示部分，对土工光纤格栅加工过程中的传感器反馈的数据进行三维建模，
建立加工后的土工光纤格栅的三维形貌，并将其与对目标土工光纤格栅进行对比分析展示。
32.本发明的有益效果是：
33.通过本技术所述的智能土工光纤格栅和光纤格栅的生产方法，在不损失土工格栅自身性能的前提下，将分布式光纤光栅条形传感器融合至土工格栅内，因此既实现了光纤光栅与土工格栅之间的一致性，同时还保证了土工格栅的抗拉抗冲击性能，使该智能土工光纤格栅能够较好的应用于寒区工作环境。
附图说明
34.图1是土工格栅单元的结构示意图；
35.图2是土工格栅条的剖视结构示意图；
36.图3是土工格栅单元中心的剖视结构示意图；
37.图4是土工格栅单元的剖视结构示意图；
38.图5是实施例1中智能土工格栅的结构示意图；
39.图6是实施例3中智能土工光纤格栅加工方法的数字孪生制作平台的框架图。
40.图中：1第一土工格栅条；2第二土工格栅条；3第三土工格栅条；4土压力传感器；5微型盐分浓度传感器；6热电偶芯片；7分布式光纤光栅条形传感器；8保护壳；9形状记忆合金材料；10通信电缆。
具体实施方式
41.为了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。
42.在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种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推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
43.实施例1
44.如图1至图5所示，本发明所述的智能土工光纤格栅包括数个相互连接的土工格栅单元。每个土工格栅单元中包括三个土工格栅条，三个土工格栅交叉连接，并相交于土工格栅单元中心。
45.本实施例中，三个土工格栅条分别为第一土工格栅条1、第二土工格栅条2和第三土工格栅条3，三个土工格栅条的中心相交于土工格栅单元中心，每个土工格栅条均被土工格栅单元中心分为两个格栅边。相邻两格栅边之间的夹角均为60
°
。土工格栅单元呈六边形发散分布，即沿土工格栅单元中心的环形外侧均匀间隔设置六根格栅边，且各个格栅边的边长均相等。
46.如图3所示，格栅单元中心的上表面设有土压力传感器4，土压力传感器用于采集智能土工格栅上部反馈的土压力大小的数值。格栅单元中心的下表面设有微型盐分浓度传感器5，微型盐分浓度传感器通过电信号的变化判断土工格栅所处区域在温度的变化下，土壤中内部盐分的变化情况。微型盐分浓度传感器5的下方设有保护壳8，保护壳用于负责保护微型盐分浓度传感器的探针。本实施例中，保护壳由碳纤维支架和透水膜制成，其目的是
隔绝土颗粒，使水分渗透进来。土压力传感器4和微型盐分浓度传感器5分别与通信电缆10连接。
47.如图2所示，每个土工格栅条内均镶嵌设有分布式光纤光栅条形传感器7，本实施例中，分布式光纤光栅条形传感器7沿土工格栅条的长度方向设置，因此分布式光纤光栅条形传感器7沿土工格栅条的长度方向贯穿整条土工格栅条的同时贯穿土工格栅单元中心。分布式光纤光栅条形传感器7与通信光缆连接。
48.每个土工格栅条的两端分别设有热电偶芯片6，本实施例中，热电偶芯片6位于分布式光纤光栅条形传感器7的上方。以第一土工格栅条为例，第一土工格栅条被土工格栅单元中心分为两个格栅边，每个格栅边内均设有一个热电偶芯片，热电偶芯片用于监测外部环境温度。热电偶芯片6与通信电缆10连接。
49.每个土工格栅条的竖向中部均设有形状记忆合金材料9。形状记忆合金材料沿土工格栅条的长度方向设置，但形状记忆合金材料9并不贯穿土工格栅单元中心。本实施例中的形状记忆合金材料由含量为17.24-16.25％的ti、含量为23.56-26.58％的ni和含量为60.12-72.35％的cu，通过激光熔融沉积增材制造技术制备而成，具备变形不可逆效应。温度升高时，形状记忆合金材料的体积会发生收缩，且超过温度极值后材料不会发生膨胀和再次收缩。将形状记忆合金材料应用到土工格栅条的目的是，在土工格栅条的内部提供一个使全部材料产生相互挤压的挤压预应力，挤压预应力会带动土工格栅条、分布式条形光纤光栅传感器7和通信电缆10共同收缩，提高土工格栅在极端恶劣环境下的强度的同时，可以避免在低温状态下土工格栅条产生拉伸之后造成内部通信中断、光纤拉断、格栅断裂等现象发生。
50.如图5所示，本实施例中的智能土工格栅由数个土工格栅单元连接而成，以其中一个的土工格栅单元的第一土工格栅条为例，该土工格栅条的中心位置处设有土工格栅单元中心，并且在土工格栅单元中心处与第二土工格栅条、第三土工格栅条连接。该土工格栅单元中心的环形外侧有六个相邻的土工格栅单元，第一土工格栅条的一端与第一相邻土工格栅单元的中心固定连接，第一土工格栅条的另一端与第四相邻土工格栅单元的中心固定连接。也就是说，土工格栅条的两端分别与两对称设置的相邻土工格栅单元的中心固定连接。换句话说，土工格栅单元中心与其相邻的土工格栅单元的土工格栅单元中心之间通过格栅条固定连接。通过上述连接方式，可以组成巨大的智能土工格栅网格，从而应用在实际的工程领域中。
51.实施例2
52.本发明还包括一种上述智能土工光纤格栅的加工方法，该方法包括以下步骤。
53.第一步，在聚合物板材的上表面进行机械冲孔并刻槽，并使用多维度拉伸机对聚合物板材进行定向拉伸，拉伸后在聚合物板材的上表面形成孔洞和凹槽。
54.本实施例中，对于厚度为l的聚合物板材，其切割凹槽的深度范围值应当控制在0.36l-0.48l之间，超过这个数值会损伤土工格栅自身的性能。
55.定向拉伸完成后，使用激光束接近传感器对拉伸后形成的凹槽薄形体进行检测，使用激光切割机对凹槽薄形体的外表面进行处理。
56.第二步，将形状记忆合金材料、分布式光纤光栅条形传感器放置在凹槽内，并将凹槽覆盖填平。
57.使用定向喷射系统向凹槽的底面喷射固化胶，喷射厚度控制在0.12l-0.23l范围内。
58.使用机械臂向凹槽底部的固化胶内部放入形状记忆合金材料、分布式光纤光栅条形传感器，将土压力传感器安放在第一土工格栅条、第二土工格栅条、第三土工格栅条相交的交点上表面处，将微型盐分浓度传感器放置在交点的下表面处。在三个土工格栅条两端部的凹槽内分别放置热电偶芯片。
59.使用光固化胶将凹槽进行全面覆盖后，使用暴晒灯对其进行暴晒，提高光固化胶的固化效率。暴晒光源的功率控制在60-120w/cm之间。暴晒光源使用的寿命不得超过1200h，建议使用1000h。光源应当使用气体放电灯，灯体内部必须含有定量的高纯汞。光源照射时间应当控制在5-10s内。
60.第三步，对土工光纤格栅进行加热，使形状记忆合金材料产生收缩。
61.待光固化胶完全固化后，使用位移控制加热平板将土工格栅的上下表面完全夹住。位移控制加热平板包括两块同样大小的平板，两平板分别设置在土工格栅的上表面和底部表面，平板内设有温度控制机构。
62.通过位移控制加热平板内的温度控制机构对土工光纤格栅进行加热，随着温度的升高，当温度升高至40.2-46.7℃时，土工光纤格栅内部埋设的形状记忆合金材料体积发生收缩，此时形状记忆合金材料的收缩会使土工光纤格栅与分布式光纤光栅条形传感器共同收缩，在土工光纤格栅内部产生一定的预应力，进而有效的提高了分布式光纤光栅条形传感器的使用寿命。当温度继续升高至大于46.7℃时，形状记忆合金材料会继续收缩，并收缩至不可复原的状态。
63.第四步，对土工光纤格栅进行性能测试。
64.上述步骤完成后，使用激光切割机对收缩后的土工光纤格栅的缺陷形貌进行切割，使用激光束接近传感器对土工光纤格栅进行全局扫描，形成土工光纤格栅的三维形貌。对土工光纤格栅进行评判测试，评判测试包括土工光纤格栅的抗冲击测试、土压力盒的数值标定和分布式光纤光栅条形传感器的使用检测。
65.评判测试合格的土工光纤格栅可以投入到实际使用环节中。
66.实施例3
67.本实施例包括实现实施例1所述加工方法的数字孪生制作平台，如图6所示，该平台主要包括以下几个部分。
68.数据输入部分：按照土工光纤格栅使用的目标区域对土工光纤格栅其进行建模，包括但不限于尺寸、材料强度等。
69.基础数据部分：结合目标区域的使用范围对土工光纤光栅的刻画格栅密度、光纤根数、埋深等基础信息进行bim建模。本实施例中采用webgl技术，使用三维几何数据与数模分离对庞大的数据量进行轻量化处理，即将庞大的模型中含有的数据拆分为独立的对象，对其含有的地质环境信息与三维几何信息使用各自的方法进行轻量化处理，目标为减少图元数量，进而减少计算数量。主要的方法为顶点汇聚、区域融合、分形几何和相似比对方法。
70.技术控制部分：控制后方的机械设备的动作，完成土工光纤格栅的加工，使机械设备的动作信号与模型触发信号保持一致，实际操作过程中的重点关注对象为机械臂的运行、电机的运转情况等。
71.交互展示部分：对土工光纤格栅加工过程中的传感器反馈的数据进行三维建模，建立加工后的土工光纤格栅真实的三维形貌，并将其与目标土工光纤格栅进行比对、分析及展示。
72.以上对本发明所提供的智能土工光纤格栅、加工方法以及数字孪生制作平台进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种智能土工光纤格栅，其特征在于，包括数个相互连接的土工格栅单元，土工格栅单元包括：三个土工格栅条：三个土工格栅条相互连接，并相交于各土工格栅条的中点处，交点处设有土工格栅单元中心；分布式光纤光栅条形传感器、以及形状记忆合金材料：分布式光纤光栅条形传感器位于形状记忆合金材料的上方，分布式光纤光栅条形传感器沿土工格栅条的长度方向连续设置，并贯穿土工格栅单元中心。2.根据权利要求1所述的智能土工光纤格栅，其特征在于，土工格栅单元的上表面处设有土压力传感器；土工格栅单元的下表面处设有微型盐分浓度传感器，微型盐分浓度传感器的外侧设有保护壳；土压力传感器、微型盐分浓度传感器与通信电缆连接，分布式光纤光栅条形传感器与通信光缆连接。3.根据权利要求1所述的智能土工光纤格栅，其特征在于，土工格栅条的两端分别设有热电偶芯片，热电偶芯片位于分布式光纤光栅条形传感器的上方，热电偶芯片与通信电缆连接。4.根据权利要求1所述的智能土工光纤格栅，其特征在于，每个土工格栅条均被土工格栅单元中心分为两段格栅边，沿土工格栅单元中心的环形外侧间隔设置六段格栅边，各段格栅边的长度均相等，且相邻格栅边之间的夹角均为60
°
。5.根据权利要求1所述的智能土工光纤格栅，其特征在于，所述形状记忆合金材料沿土工格栅条的长度方向连续设置，不贯穿土工格栅单元中心；形状记忆合金材料由含量为17.24-16.25％的ti、含量为23.56-26.58％的ni、以及含量为60.12-72.35％的cu，通过激光熔融沉积增材制造技术制备而成。6.根据权利要求4所述的智能土工光纤格栅，其特征在于，土工格栅单元中心的环形外侧有六个相邻的土工格栅单元，土工格栅单元中心与其相邻的土工格栅单元的土工格栅单元中心之间通过格栅边固定连接。7.一种权利要求1-6任一所述智能土工光纤光栅的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.在聚合物板材的上表面进行机械冲孔并刻槽，对聚合物板材进行定向拉伸，拉伸后在聚合物板材的上表面形成孔洞和凹槽；s2.在凹槽的底部喷射固化胶，向固化胶内放置形状记忆合金材料、分布式光纤光栅条形传感器，将凹槽覆盖填平；s3.对土工光纤格栅进行加热，使形状记忆合金材料的体积产生不可逆的收缩，形状记忆合金材料收缩的同时会使土工光纤格栅与分布式光纤光栅条形传感器共同收缩，在土工光纤格栅内部产生预应力；s4.对土工光纤格栅单元进行性能测试，将各土工光纤格栅单元固定连接，形成智能土工光纤格栅。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
步骤s2中，将土压力传感器放置在第一土工格栅条、第二土工格栅条、第三土工格栅条相交的交点上表面处，将微型盐分浓度传感器放置在交点的下表面处，在三个土工格栅条两端的凹槽内分别放置热电偶芯片；使用光固化胶将凹槽覆盖填平，并通过暴晒灯对光固化胶进行固化。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤s3中，使用位移控制加热平板对土工光纤格栅进行加热；位移控制加热平板包括两块平板，平板分别设置在土工光纤格栅的上表面和底部表面，将土工光纤格栅夹紧在两平板之间，平板内设有温度控制机构；通过平板内的温度控制机构对土工光纤格栅进行加热。10.一种实现权利要求7-9任一所述加工方法的数字孪生制作平台，其特征在于，包括：数据输入部分，按照土工光纤格栅使用的目标区域对土工光纤格栅进行建模；基础数据部分，结合目标区域的使用范围对土工光纤格栅的基础信息进行bim建模；技术控制部分，控制土工光纤格栅的加工步骤；交互展示部分，对土工光纤格栅加工过程中的传感器反馈的数据进行三维建模，建立加工后的土工光纤格栅的三维形貌，并将其与对目标土工光纤格栅进行对比分析展示。

技术总结
本发明涉及高端装备制造领域，特别是一种智能土工光纤格栅、加工方法以及数字孪生制作平台。智能土工光纤格栅包括数个相互连接的土工格栅单元，土工格栅单元包括：三个土工格栅条：三个土工格栅条相互连接，并相交于各土工格栅条的中点处，交点处设有土工格栅单元中心；分布式光纤光栅条形传感器、以及形状记忆合金材料：分布式光纤光栅条形传感器位于形状记忆合金材料的上方，分布式光纤光栅条形传感器沿土工格栅条的长度方向连续设置，并贯穿土工格栅单元中心。既实现了光纤光栅与土工格栅之间的一致性，同时还保证了土工格栅的抗拉抗冲击性能，使该智能土工光纤格栅能够较好的应用于寒区工作环境。用于寒区工作环境。用于寒区工作环境。


技术研发人员：付浩然 梁冠文 肖刘阳 张浩宇 万章博 边学成 杨超 陆益挺 张毅 蒋建群 陈云敏
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/15