TPMS骨组织多孔结构参数化设计方法研究

三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)曲率为零,具有相连通的高孔隙率结构,能够更好地适应细胞增长、营养物输送和代谢物排出。基于传统CAD的TPMS多孔结构设计,孔隙率、孔径大小与TPMS曲面参数未建立明确的对应关系,设计缺乏灵活性。通过探究阈值和周期对孔隙率的影响关系,提出一种TPMS多孔结构参数化设计方法。基于TPMS设计孔单元,研究发现阈值与孔隙率基本呈线性关系,周期与孔隙率无关,但周期的改变会显著影响模型的孔径大小。由此将阈值和周期作为参数化设计的主要参数输入,可自动生成孔隙率和孔径大小可控的多孔结构。该方法实现于Rhinoceros的Grasshopper(GH)插件,并进行实例验证。

泰森多边形多孔结构髋臼杯初始稳定性研究

目的 分析泰森多边形多孔结构髋臼杯与实体髋臼杯的初始稳定性差异,探究泰森多边形结构多孔层对髋臼杯初始稳定性的影响及其在预防松动脱位方面的作用。方法 通过Grasshopper设计孔隙率分别为60%、70%的泰森多边形多孔结构支架,利用选区激光熔化技术(selective laser melting, SLM)制备实体髋臼杯与孔隙率为60%、70%多孔髋臼杯样件,在相同条件的聚氨酯块模型中进行杠杆试验,分析对比3组样件的最大撬出力矩、偏转角度、界面刚度。结果 在压入力无明显差异的情况下,孔隙率为60%、70%多孔髋臼杯的最大撬出力矩分别比实体髋臼杯高278.82%、320.56%,偏转角度比实体髋臼杯高194.04%、269.23%,界面刚度比实体髋臼杯高18.58%、7.88%。杠杆试验完成后,多孔髋臼杯所用的聚氨酯块半球腔内出现明显磨损。结论 泰森多边形多孔结构髋臼杯的初始稳定性指标均高于实体髋臼杯,说明泰森多边形结构多孔层能提高髋臼杯的初始稳定性。研究结果能够为髋臼假体的设计与选型提供一定参考。

二维多孔结构剪切变形及破坏特性研究

基于理论建模、有限元仿真和实验测试研究了二维多孔结构剪切变形及破坏特性,分析几何参数改变对整体抗剪性能的影响。通过有限元仿真获取剪切变形规律,采用框架剪切夹具进行剪切实验,与有限元仿真结果进行对比分析。结果表明:剪切变形破坏主要为靠近结点处单元胞壁的拉伸破坏与剪切破坏,损伤从结构边缘向内部渐进扩展。单元胞尺寸、壁厚对结构的剪切性能有明显影响,厚度与排列角度对剪切性能影响较小;在正六边形、内凹型和半凹型多孔结构中,正六边形的二维多孔结构的抗剪性能最好。

层合多孔结构拉剪力学行为分析

基于层合多孔拉剪结构,考虑孔隙率、胞元铺设角度、胞元孔型及复合层数对结构承载力和稳定性的影响,通过实验和有限元仿真计算研究了平面多孔结构的力学性能和破坏形式。结果表明,孔隙率越小,单双层结构抗拉剪性能越大,双层模型增强幅度也越大;多孔结构胞元铺设角度为15°时具有更好的塑性变形和抗拉剪性能;正六边形孔型的塑性变形较好,正方形孔型的抗拉剪力较强;多层结构可以增强抗拉剪强度,层合多孔结构裂纹由单层模型发生脆性断裂的裂纹耦合而成。

3D打印铜多孔结构池沸腾传热实验研究

采用SLM(选择性激光熔化)技术制备铜多孔结构试样,以去离子水为工质,实验研究SLM工艺参数和多孔结构形式对所制备样品毛细性能及池沸腾传热性能的影响。结果表明:增大激光扫描间距显著提升水在多孔结构内的毛细上升速度和最大上升高度。相比小扫描间距参数制备的试样,大扫描间距试样的毛细上升最大高度提升约29.6%。同时,随着扫描间距的增加,大扫描间距试样的临界热流密度F_(CH)和传热系数C_(HT)均增大。与光滑表面相比,柱状和栅格状结构试样的F_(CH)和C_(HT)明显提升,柱状结构具有更优的传热性能,其F_(CH)和C_(HT)分别增至233.5 W/cm^(2)和12 W/(cm^(2)·K),提升103%和106.9%。这些提升是由于柱状结构的骨架内存在更多的气化核心密度,同时还可以有效改善气液流动,促进液体回流。

模块化多孔结构的变形模式及吸能特性

模块化多孔结构相较于传统一体式结构能够更加灵活地满足装配需求,研究其变形模式和吸能特性,可为多孔结构在工程中的应用提供新思路。选用具有正泊松比效应的正六边形和具有负泊松比效应的内凹形作为模块化多孔结构的填充单元,共设计了8种结构,并进行了准静态压缩实验。实验结果与有限元模拟计算结果吻合良好。研究发现:不同填充方式的结构具有不同的变形模式,其中正六边形填充表现出明显的剪切破坏带,交替填充能较好地保持单元的初始形状;2层填充多孔结构的压缩力峰值均大于3层填充结构,2层结构的比吸能也大于对应的3层填充结构;正六边形填充结构的总吸能、平均压缩力和比吸能在4种填充方式中均最小;内凹形填充结构的总吸能和平均压缩力均最大,且其比吸能保持在稳定且较高的水平。

骨支架多孔结构设计及其流场特性研究

组织工程骨支架的结构及其内部流场的流体流动性能直接影响着营养物质的渗入和细胞的沉积。基于拓扑优化技术,以胫骨骨折实际受力为载荷设计不同孔隙率和尺度下的骨支架多孔结构单胞模型;运用计算流体动力学(CFD)方法对所得单胞及由其构建的多孔结构内部流场特性进行数值模拟,分析模型参数对各结构内部流场的流速分布和渗透率等的影响规律。结果表明各孔隙率和尺度下的单胞及多孔结构均具有良好的流场连通性,其中孔隙率是影响结构内流速的主要因素;各结构渗透率随着孔隙率和尺度的增大而增大;孔隙率和尺度较大的结构表现出更好的流体流动性能。研究成果可以为骨支架多孔结构的优化设计及应用提供支撑。

基于均匀化拓扑优化的轻质多孔结构等效方法

通过拓扑优化设计得到的孔洞结构,往往不规则,甚至过于复杂、难于加工、多数需要进行二次设计,为了避免二次拓扑优化求解过程复杂、效率低、耗时长,甚至出现不收敛、棋盘格、灰色单元等情况,提出一种基于均匀化拓扑优化的轻质多孔结构等效方法。该方法首先需对研究结构进行初次拓扑优化,提取拓扑优化后的关键性能参数如应变能、最大应力、最大位移等。然后依据上述提取的参数作为后续寻求结构等效的条件。基于能量均匀化方法求解出与拓扑优化后等效的微结构。将等效微结构阵列得到的周期排列结构即为轻质多孔等效结构。最后对拓扑优化结构和轻质多孔等效结构进行有限元分析对比,验证此方法的可行性。结果表明:轻质多孔等效结构与初始拓扑结构相比,其综合性能基本不变,但因轻质多孔结构的规则性使得加工难度大大降低。

钢渣骨料多孔结构对沥青混合料低温抗裂性能的影响机制

钢渣骨料的多孔结构对沥青混合料低温抗裂性能影响的宏细观机制尚不掌握,不利于钢渣骨料沥青路面长期性能的有效保持。针对此不足,基于室内低温弯曲试验,构建了可表征钢渣骨料多孔结构的沥青混合料小梁试样精细化离散元模型,进而开展了不同的钢渣孔隙率和开口孔隙沥青填充度下的虚拟低温弯曲试验,量化分析了钢渣多孔结构对试样整体强度和细观断裂性能的影响规律及机制。试验研究结果表明:多孔钢渣骨料仅可替代粒径大于2.36 mm的粗骨料,控制钢渣加热温度并延长湿拌时间可确保沥青胶浆充分填充钢渣骨料表面孔隙;离散元数值模拟结果表明钢渣骨料表面开口孔隙附近出现应力集中,裂缝贯通钢渣开口孔隙;钢渣骨料表面孔隙率越高,则峰值应力越低,裂缝越易从开口孔隙处发育;峰值应力随钢渣骨料表面开口孔隙沥青胶浆填充度的降低而显著降低;钢渣骨料表面孔隙对沥青胶浆的吸收作用会显著影响裂缝萌生路径及混合料的低温抗裂性能,裂缝易在钢渣孔洞附近萌生,且开口孔隙无沥青填充时此裂缝扩展特征更明显;钢渣骨料表面孔隙可增强沥青-钢渣界面的黏结性能,但开口孔隙过大会导致应力集中且易萌生裂缝。在实际工程中建议控制大孔隙钢渣骨料含量,并确保沥青砂浆充分填充钢渣骨料表面孔隙,以提高其低温抗裂性能。

碳纤维圆管增强超弹多孔结构振动特性研究

随着船舶工业技术的快速发展,对动力系统隔振装置提出了更加苛刻的要求,现有的橡胶阻尼材料虽然具备良好的减振效果,但仍然存在着质量大、力学承载性能和吸能性能不足等问题,针对上述背景,将橡胶阻尼材料与力学性能优异的碳纤维圆管相结合设计出了一种兼具轻质、抗冲、隔振的碳纤维圆管增强超弹多孔结构,并在前期的研究中已验证了该结构具有优异的抗冲吸能表现。在此基础上,通过试验结合数值表征的方法研究了该结构的振动行为和减振性能,揭示碳纤维圆管对结构固有振动特性和减振性能的影响规律。结果发现,相比无增强结构,填充碳纤维圆管的超弹多孔结构可在增强结构整体刚度的同时实现减振性能的显著提升;试验结果验证了所建立结构数值模型的可靠性,对比不同增强结构的仿真与试验发现随着碳纤维圆管厚度的增加,结构固有频率呈现先增大后减小的趋势;研究结果可为设计新型轻质高刚度高阻尼结构提供参考。

多孔结构设计人工踝关节衬垫生物力学的优化方案

背景:假体松动和磨损是导致全踝关节置换失败的主要原因,其与骨-植入物界面的微运动、关节面的接触应力和关节运动密切相关。包括衬垫和胫/距柄假体在内的人工关节部件的设计构造是影响踝关节受力、运动、接触界面微运动的关键因素,开发新型衬垫对提高人工踝关节生存率具有重要意义。目的:构建全踝关节置换有限元模型用以检测多孔结构优化型衬垫的生物力学特性,分析多孔结构优化型衬垫在减少假体微动和改善关节面接触行为方面的作用。方法:以一名健康成年人右踝关节CT扫描数据和INBONEⅡ系统产品手册为基础,建立包括骨骼和人工关节系统的三维模型,在经过截骨和假体安装后获得全踝关节置换模型(模型A),再通过对原始衬垫进行多孔结构改造获得G50型、G60型、D50型、D60型4种新型衬垫,将不同衬垫替换原始衬垫以建立与之相对应的优化型全踝关节置换模型(模型B-E),在5个模型上施加步态载荷模拟步态工况。比较5种模型植入物-骨界面微动和关节面接触行为的差异。结果与结论:①在步态周期下4个优化型全踝关节置换模型的假体微动小于原始模型,与模型A相比,模型B-E假体微动数值上分别下降5.4%,10.1%,8.1%及20.9%,再者优化型模型在胫骨骨槽穹顶部的高微动区域较原始模型明显缩小;②4个优化型模型获得了更大的关节面接触面积,与模型A相比,模型B-E衬垫接触面积均值分别增加了11.8%,14.7%,8.1%及32.6%;③与接触面积增大的效果类似,相较于原始模型,优化型模型的关节面接触应力不同程度下降,其中模型E的数值下降最为显著(P<0.05),归功于构成D60型衬垫Diamond晶格良好的力学属性和较大的孔隙率;④结果表明全踝关节置换使用多孔结构改良衬垫可以提高衬垫的弹性,增加其吸收关节冲击力的能力,为降低植入物-骨界面微动和改善关节接触行为创造有利条件。

新型管状增强超弹多孔结构设计制备及减振性能研究

传统的橡胶阻尼材料拥有较好的减振能力,但其力学承载能力不足。针对上述问题,基于仿生梯度设计思想,结合轻质多孔结构的优异力学性能和聚氨酯材料的高阻尼超弹性性能,设计一种具有优异力学承载性能和减振性能的新型管状增强超弹梯度多孔结构,开发出了模压灌注一体化成型工艺,实现了不同规格超弹梯度多孔结构减振器的制备。通过模态分析和频响试验获得结构的固有振动和减振性能,揭示了不同硬度聚氨酯材料、不同拓扑构型增强管等参数对结构减振性能的影响规律。结果发现,相比与其他结构,圆型增强结构在低频段具有较高的基频和较低的共振峰值,表现出结构高刚度高阻尼的优异性能;而在高频段三角型增强结构整体响应更低,减振性能较优异。

生物力学约束下的多孔结构鞋中底设计

提出一种由足底压力映射的三维维诺(Voronoi)支杆鞋中底结构设计方法。将足底压力信息作为鞋中底结构设计的数据驱动基础,采用加权随机采样策略构建Voronoi站点;通过裁剪算法,使三维Voronoi图适应鞋中底边界;以裁剪后的三维Voronoi边为骨架线,采用隐式曲面建模技术和隐式函数融合生成光滑连续的三维Voronoi支柱鞋中底。测试结果表明:三维Voronoi支柱鞋中底可以使足底压力分布更加均匀,并可有效地减轻跖骨和足跟区域的负荷,降低足底压力异常集中导致关节损伤的概率。

多孔结构对冲击波的衰减影响研究

多孔结构因具有低密度、高比强度和高比刚度等优异性能,被广泛应用于各个工程领域,特别是在抵抗冲击载荷方面具有良好的能量吸收能力。采用有限元软件,建立了不同孔隙率和不同孔径的多孔结构模型,分别对其在相同冲击波作用下的动态响应进行了数值模拟,分析了多孔结构的几何参数(不同孔隙率、不同孔径)对冲击波衰减的影响规律。结果表明,多孔结构可以有效地衰减冲击波的峰值压力和总能量,适当增加孔径和增大孔隙率能够提高其能量吸收能力。该研究为多孔结构的设计和应用提供了一定的参考。

基于三周期极小曲面的多孔结构力学性能研究

针对设计多孔结构时难以直接预测其力学性能的问题,选取三周期极小曲面中的Schwarz_P曲面,采用选区激光熔化技术制备不同结构参数的Schwarz_P结构;通过压缩试验研究其力学性能,建立Schwarz_P结构的结构参数与力学性能之间的关系模型。试验结果表明:建立的模型拟合优度在98%以上,采用该模型预测的力学性能与实测值基本一致,在设计多孔结构时可直观地预估其力学性能。

不同多孔结构的锌镁合金螺力学性能与腐蚀性能的研究

目的本研究旨在通过有限元分析,探究不同多孔结构的锌镁合金螺钉在腐蚀环境中的性能表现,以找到一种促进骨折愈合的多孔结构。方法首先使用软件ntopology选用Fischer-Koch S、Octec、Diamond 3种晶胞结构(直径8 mm,高12 mm,孔隙率0.53,孔径2 mm)构建不同多孔结构的螺钉模型,在有限元分析软件abaqus里定义材料和设定边界条件进行模拟实验。然后将3种螺钉模型以锌镁合金为原料通过3-D打印制作实物部件,最后进行SBF模拟体液体外腐蚀试验和兔胫骨骨折固定体内实验,将所得结果与模拟实验比较。结果有限元分析实验中Fischer-Koch S结构应力分布最均匀,在轴向、弯曲和扭转载荷下平均位移最小,表明可有效降低应力屏蔽效应促进骨骼愈合。体外实验中Fischer-Koch S结构螺钉腐蚀速率最低(0.4 mm/a),通过Mari3TES型扫描电镜观察试样的腐蚀形貌变化较不明显,压缩弹性模量(9.1 GPa)最接近人骨,表明最适合作为骨植入材料。体内实验中,Fischer-Koch S结构螺钉样本中所提取的新生骨质量最大且体积分数最高(35%,30 d),表明有效促进骨折愈合。结论不同多孔结构的锌镁合金螺钉的腐蚀性能不同,作为骨植入物时的力学性能也不同。通过调整螺钉的多孔结构,可以实现更好的生物相容性和力学性能,为骨科植入物的设计和应用提供了新的思路和方法。

基于联合仿真的曲面共形多孔结构拓扑优化方法

针对宏观曲面结构上多孔结构单胞构型与设计域外形不匹配,导致曲面结构优化困难的问题,提出一种基于联合仿真的曲面共形多孔结构拓扑优化方法。基于三周期极小曲面隐式水平集函数,实现多孔结构的参数化建模。采用等参单元法理论,建立自然坐标系到笛卡儿坐标系的映射关系,实现曲面多孔结构的共形建模。构造线性插值函数,保证多孔结构单胞之间的C0连续。引入可变切割水平集函数,建立MATLAB与ANSYS联合仿真的多孔结构拓扑优化框架。数值算例表明:所提方法可有效实现曲面多孔结构的拓扑优化设计,确保多孔结构单胞与设计域外形的匹配,提升多孔结构的力学性能。

氧化石墨烯增强多孔结构磁性天然橡胶的制备及性能研究

磁性橡胶具有优异的磁控力学性能,在军事、医疗等领域具有广泛的应用前景。然而,磁性橡胶面临的磁流变效应较低且与机械力学性能相矛盾的难题,极大地阻碍了其工程化应用。为此,采用机械共混法,选取羰基铁粉为磁性粒子,制备了GO含量分别为0 phr、0.5 phr、0.8 phr、1.1 phr和1.4 phr的多孔结构磁性天然橡胶(PMR),并对其微观形貌、磁性能、磁流变性能和机械力学性能进行了系统研究。结果表明,PMR具有圆形闭孔的多孔结构,该结构特征的基体弹性模量较低,利于基体中的磁性粒子在磁场作用下沿磁场方向移动,从而使PMR具有高磁流变效应。随着GO含量的上升,PMR的拉伸强度先升高后降低,当GO含量为0.8 phr时,PMR孔洞壁的破洞现象最少、拉伸强度最大(5.02 MPa)且磁流变效应较高(422%)。适量GO的掺杂不仅完善了PMR的孔洞结构,而且提升了其机械力学性能,发挥了补强剂的作用。该研究为设计并制备具有高磁流变效应和优异机械力学性能的磁性橡胶提供了新思路。

一种以多孔结构吸附相变材料为冷却介质的锂离子电池组热管理方法

电池包作为电动汽车的动力源,其性能决定着电动汽车的成本与安全,有效的热管理系统对电池包的安全运行起到至关重要的作用。在追求更高能量密度的同时,如何有效降低热失控现象并提升电池组的热管理性能成为亟待解决的问题。针对传统相变材料(PCM)热管理方法存在的局限性,提出了一种基于多孔结构吸附PCM的创新热管理方案。基于仿真分析,相比传统PCM热管理方法,该方法使电池组在4C放电电流工况下的前0.2 h内,最高温度降低了2.1%;与此同时,最高温度与平均温度之差缩小了45.5%且各单体间平均温差幅度降低了34.1%。结果表明,该方法能够有效提高PCM的导热性并减小电池包内温度梯度,使得电池包内温度分布更加均匀,从而降低热失控的风险。此外,多孔结构吸附PCM还具有良好的安全性和耐久性,能够有效延长电池组的使用寿命。

增材制造多孔结构的冲击性能研究

多孔结构由于具有较好的比强度、能量吸收等特点,已经广泛运用于航空航天装置、生物医疗器械等方面。而多孔结构的力学性能在很大程度上取决于其结构单元的变形机制,因此充分了解多孔结构在受到冲击载荷过程中的结构演化是至关重要的。本文利用3DVoronoi技术设计了80%与90%孔隙率的十四面体(Octa)结构,通过选择性激光熔化(SLM)成形技术制备了两种孔隙率下铝合金多孔结构的样品,并进行了落锤冲击试验,以探究在受到冲击载荷下不同孔隙率多孔结构的能量吸收情况,在有限元模拟中通过X射线透射电脑断层成像(XCT)重建多孔结构的几何模型,以探索多孔结构的实际变形机制和孔隙破裂的机理。研究结果表明,多孔结构的能量吸收随孔隙率的增加而减小,高孔隙率的多孔结构更容易在较弱的位置形成多个局部密实区,同时单胞壁的弯曲与屈服一般是发生在孔隙的坍塌期间,而变形往往是通过形成几个狭窄的塌陷带进行传播。本文对Octa结构受到冲击载荷的变形机理有了全新的认识,这对多孔结构的抗冲击设计和能量吸收评估具有重要意义。