电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法技术

本发明专利技术涉及一种电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法，包括以下步骤：几何扫描和结果验证、敏感分析和基本参数、局部缺陷和评估方法。本发明专利技术的有益效果是：采用三维扫描仪进行管状金属短柱的几何轮廓激光扫描，并通过质量密度法进行体积测量结果的验证；通过非接触式三维激光扫描仪对结构件进行几何测量，获得完整几何信息；通过质量密度法进行验证，避免激光扫描时结构件内、外壁拼接整合误差；通过敏感性分析确定合适截面轮廓取样间距，保证足够精度且较低计算成本；通过局部几何缺陷拟合和最大偏差处理，实现结构件局部几何缺陷的定量评估。部几何缺陷的定量评估。部几何缺陷的定量评估。

【技术实现步骤摘要】
电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法


[0001]本专利技术属于结构工程和增材制造
，尤其涉及一种电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法。

技术介绍

[0002]电弧增材制造(WAAM)采用电弧作为热源熔化金属丝材，通过逐层沉积焊丝来打印金属结构件。WAAM具有较高的沉积速率、较低的设备和原料成本，且对工作场所和成形尺寸的限制较小，适用于建筑工程领域大型金属结构件的制造，为智能建造提供了一种有效途径。
[0003]管状金属结构件主要包括等截面管、变截面管两大类，其中等截面管涉及圆管、箱型管、矩形管和三角形管等，变截面管涉及诸如圆台管的单向变截面管、诸如双曲管的双向变截面管以及曲面管等。金属材料则包括不锈钢、碳钢和铝合金等常用建筑工程领域金属结构材料。
[0004]管状金属短柱一般是指长细比不大于8的管状金属结构件，主要承受轴压作用，对应高径比或高宽比一般不大于4，轴压破坏时一般出现局部屈曲。电弧增材管状金属短柱的表面存在起伏形貌，对应的几何缺陷会对管状金属短柱的力学承载性能造成一定的削弱作用；但出于经济和实用性考虑，建筑工程领域应用于实际的WAAM制品往往对起伏表面形貌不进行光滑处理。因此，对不进行任何表面处理的材料进行研究更具有实际意义，实际操作中即对管状金属短柱对应表面起伏形貌的基本几何参数进行测量，以获得局部几何缺陷，从而评估几何特征和缺陷幅度的影响。
[0005]然而，传统测量方法无法得到准确和完整的几何特征，鉴于激光扫描技术精度较高且可获得完整的表面信息，因而采用非接触式三维激光扫描仪对结构件进行几何测量是一种有效的解决方案；而关于金属结构件几何测量和缺陷评估方法也是保证结构件正常使用和极限承载的重要因素。在研究电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法的过程中，存在三个主要问题，分别是管状金属短柱的几何轮廓激光扫描和结果验证的方法、管状金属短柱的轮廓取样间距敏感性和基本几何参数计算的方法、局部几何缺陷测点分布和缺陷幅度评估的方法。
[0006]综上所述，研究一种电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法，实现WAAM电弧增材制造不锈钢、低碳钢和铝合金管状金属短柱的几何特性测量、局部缺陷幅度评估及承载应用设计是十分必要的。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法。
[0008]这种电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法，包括以下步骤：
[0009]S1、几何扫描和结果验证：通过三维扫描仪捕捉管状金属短柱的表面几何特征，并
将管状金属短柱的内壁和外壁拼接整合，生成几何模型，测量几何模型的体积V
m
后，再根据相同材质的拉伸试件的平均密度，利用质量密度法验证扫描结果；
[0010]S2、敏感分析和基本参数；分析截面几何参数对轮廓取样间距d
x
的敏感性，决定轮廓取样间距d
x
；再进行各个截面轮廓上的几何参数测量，判断管状金属短柱截面积的变异性情况；
[0011]S3、局部缺陷和评估方法：测量纵向线与每个轮廓截面上外表面和内表面的交点的中点坐标，计算每个轮廓截面上的中点坐标的平均值，确定局部几何缺陷测点分布；拟合每条纵向线上的测点，计算各个测点和拟合直线的偏差，对局部几何缺陷幅度进行评估。
[0012]作为优选，步骤S1中：管状金属短柱为等截面管或变截面管，表面存在起伏形貌，首先，直接三维扫描管状金属短柱的外壁和内壁表面轮廓来获得完整的几何模型；接着，利用3D扫描数据处理软件对几何模型文件进行后处理，修复模型缺陷，并利用软件测量工具获得几何模型体积；然后，沿纵向提取管状金属短柱的截面轮廓，进一步测量各个横截面的尺寸。
[0013]作为优选，步骤S1中：利用电弧增材制造与管状金属短柱材质相同的数组拉伸试件，先测量一组拉伸试件，利用电子秤测量拉伸试件的质量M0，利用排水法测量拉伸试件的体积V0；将每个拉伸试件的质量除以体积得到对应拉伸试件的密度，进而取平均值获得拉伸试件的平均密度ρ；
[0014]利用电子秤测量每个管状金属短柱的质量M，除以通过拉伸试件测量获得的平均密度ρ，计算得到每个管状金属短柱的体积V
ref
，并与几何模型的体积V
m
进行对比分析，检查直接三维扫描得到的几何模型的体积结果的准确性。
[0015]作为优选，步骤S2中：对金属短柱几何模型的截面轮廓进行等间距取样；当WAAM沉积层厚度为T时，将轮廓取样间距的上限设置为{T}，即T的上取整，{T}的单位为mm，然后分别按照轮廓取样间距d
x
为{T}/20、{T}/10、{T}/4、{T}/2和{T}时进行等间距取样，得到不同轮廓取样间距d
x
下的截面几何参数，截面几何参数包括截面轮廓的平均截面积A、最大截面积A
max
和最小截面积A
min
，然后采用dx为{T}/20时的平均截面积A
c
、最大截面积A
max,c
和最小截面积A
min,c
作为相对基准值，进行截面几何参数的归一化处理；
[0016]根据归一化后的截面几何参数随着轮廓取样间距d
x
的变化曲线，分析截面几何参数对轮廓取样间距d
x
的敏感性，确定轮廓取样间距d
x
。
[0017]作为优选，步骤S2中：利用三维激光扫描数据计算管状金属短柱的基本几何参数，短柱高度H根据几何模型直接确定，在每个截面轮廓上沿环向周圈等间隔分布n1个测点，测量第j截面中n1个测点壁厚并取平均值为截面轮廓j的壁厚t
j
，根据管状金属短柱的截面形状，通过同样的方法测量截面轮廓j的外径D
j
或边长B
j
；
[0018]计算所有取样截面的截面平均外径D或平均边长B、平均壁厚t、壁厚标准差t
sd
、截面积A、最大截面积A
max
和最小截面积A
min
；再根据所有截面轮廓上最大截面积比A
max
/A和最小截面积比A
min
/A的变化情况，判断截面积的变异性情况。
[0019]作为优选，步骤S3中：在每个轮廓截面上沿环向周圈等间距取n2个点，记为P1～P
n2
，各个轮廓截面上相同标号的测点连接形成纵向线，测量纵向线与每个轮廓截面上外表面和内表面的交点的中点坐标，计算每个轮廓截面上的中点坐标的平均值，进行局部几何缺陷测点分布分析。
[0020]作为优选，步骤S3中：通过线性最小二乘回归分别拟合每条纵向线上的测点，得到拟合直线，计算各个测点与拟合直线的偏差，得到关于对应纵向线位置的局部几何缺陷变化曲线，对局部几何缺陷幅度进行评估；
[0021]测量每条局部几何缺陷变化曲线与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、几何扫描和结果验证：通过三维扫描仪捕捉管状金属短柱的表面几何特征，并将管状金属短柱的内壁和外壁拼接整合，生成几何模型，测量几何模型的体积V
m
后，再根据相同材质的拉伸试件的平均密度，利用质量密度法验证扫描结果；S2、敏感分析和基本参数；分析截面几何参数对轮廓取样间距d
x
的敏感性，决定轮廓取样间距d
x
；再进行各个截面轮廓上的几何参数测量，判断管状金属短柱截面积的变异性情况；S3、局部缺陷和评估方法：测量纵向线与每个轮廓截面上外表面和内表面的交点的中点坐标，计算每个轮廓截面上的中点坐标的平均值，确定局部几何缺陷测点分布；拟合每条纵向线上的测点，计算各个测点和拟合直线的偏差，对局部几何缺陷幅度进行评估。2.根据权利要求1所述的电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法，其特征在于，步骤S1中：管状金属短柱为等截面管或变截面管，表面存在起伏形貌，首先，直接三维扫描管状金属短柱的外壁和内壁表面轮廓来获得完整的几何模型；接着，利用3D扫描数据处理软件对几何模型文件进行后处理，修复模型缺陷，并利用软件测量工具获得几何模型体积；然后，沿纵向提取管状金属短柱的截面轮廓，进一步测量各个横截面的尺寸。3.根据权利要求1所述的电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法，其特征在于，步骤S1中：利用电弧增材制造与管状金属短柱材质相同的数组拉伸试件，先测量一组拉伸试件，利用电子秤测量拉伸试件的质量M0，利用排水法测量拉伸试件的体积V0；将每个拉伸试件的质量除以体积得到对应拉伸试件的密度，进而取平均值获得拉伸试件的平均密度ρ；利用电子秤测量每个管状金属短柱的质量M，除以通过拉伸试件测量获得的平均密度ρ，计算得到每个管状金属短柱的体积V
ref
，并与几何模型的体积V
m
进行对比分析，检查直接三维扫描得到的几何模型的体积结果的准确性。4.根据权利要求1所述的电弧增材管状金属短柱几何测量及局部缺陷评估方法，其特征在于，步骤S2中：对金属短柱几何模型的截面轮廓进行等间距取样；当WAAM沉积层厚度为T时，将轮廓取样间距的上限设置为{T}，即T的上取整，{T}的单位为mm，然后分别按照轮廓取样间距d
x
为{T}/20、{T}/10、{T}/4、{T}/2和{T}时进行等间距取样，得到不同轮廓取样间距d
x
下的截面几何参数，截面几何参数包括截面轮廓的平均截面积A、最大截面积A
max
和最小截面积A
min
，然后采用dx为{T}/20时的平均截面积A
c
、最大截面积A
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王震，叶俊，赵阳，陈寅，全冠，汤慧萍，杨学林，瞿浩川，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：