功能梯度三周期极小曲面静动态力学特性

功能梯度设计能够有效提高结构的力学特性及吸能性能.为探讨功能梯度极小曲面结构在静动态载荷下的力学响应以及梯度壁厚分布方式对其力学特性的影响规律,构建了包含线性梯度和多种非线性梯度(对数梯度、Sigmoid梯度以及指数梯度)Gyroid结构,通过3D打印光敏树脂制备样件开展了准静态压缩试验,采用LS-DYNA构建仿真模型并与试验结果对比,验证了仿真方法的有效性.研究发现,功能梯度壁厚分布方式显著影响结构力学性能及变形模式.在准静态压缩下,功能梯度结构呈现逐层压溃的变形模式,在接触端产生局部的致密化带,这一模式导致梯度结构吸能特性有一定提升.基于准静态测试数据以及试验变形模式分析,构建了Gibson-Ashby模型,揭示了均质结构弹性模量和屈服强度随等效密度的变化规律;利用该Gibson-Ashby模型,预测了功能梯度结构屈服强度,并构建等应力模型预测了梯度结构的弹性模量,预测结果与实验值具有良好的一致性.对于其动态力学性能,构建了4种冲击速度仿真模型,深入探讨不同冲击速度对梯度结构力学性能的影响规律.功能梯度结构在高速冲击下,由于其壁厚逐层递增的特性,其局部压溃现象更为明显,导致其在高速冲击下的致密化应变显著增大,其吸能特性也有所提升.其中,对数梯度结构具有最高的屈服强度,而Sigmoid梯度结构具有最高的平均平台应力和吸能特性,其比吸能特性为13.01 J/g,相较于相对密度为45%的均质结构而言提升了45%.此外,基于刚性-完美塑性-锁定模型对梯度结构的动态平台应力进行拟合预测,拟合结果与仿真结果吻合度较高,为预测功能梯度结构的动态力学响应提供了计算方法.

基于三周期极小曲面晶胞梯度支架的设计及力学性能

背景:现阶段骨软骨一体化支架的弹性模量与天然骨软骨相差较大,植入人体后会引起应力遮蔽现象,从而导致植入物松动变形,影响骨软骨组织修复。轴向三周期极小曲面晶胞梯度支架可与人体骨软骨组织孔隙率及弹性模量相匹配,为骨软骨支架设计提供一种新的思路。目的:研究不同晶胞种类和孔径结构对晶胞梯度支架力学性能的影响。方法:使用Gyroid(G)型、Diamond(D)型Primitive(P)型3种基础晶胞,通过三周期极小曲面数学建模,在梯度区域使用不同尺寸、不同种类晶胞,共计构建6种晶胞梯度支架(G-2P-4D、P-2D-4G、D-2P-4D、G-2D-4P、P-2G-4D、D-2G-4P),进行力学实验及仿真模拟实验,评估支架的力学性能,通过计算流体动力学仿真得到了支架内流体的流动性能参数。结果与结论:有限元力学仿真和轴向压缩实验表明,P-2G-4D型与P-2D-4G型梯度支架的弹性模量相较高,分别为148.67 MPa和152.1 MPa,能够承受较高的轴向载荷,提高植入物的力学稳态;D-2P-4G型梯度支架应力分布最为均匀,可有效减少应力集中,使得连接函数区域均能够有效传递应力,减少应力遮蔽;G-2D-4P型梯度支架流动速率变化最小,为0.10-0.48 mm/s,渗透率较高,有利于植入后体液在支架内部流动。基于三周期极小曲面的晶胞梯度支架设计为骨软骨支架设计提供了新思路,仿真分析结果也为支架植入人体后的骨整合预测提供了参考。

径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架结构设计与力学性能分析

背景:传统骨植入物的弹性模量较大,与人体骨弹性模量不匹配,会引起应力遮挡效应,从而导致骨吸收。径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架具有与人体松质骨匹配的弹性模量,且屈服强度大于人体皮质骨屈服强度,为骨支架设计提供了一种新的选择。目的:通过隐式曲面法构建径向梯度三周期极小曲面结构,采用激光选区熔化技术制备样件,进行准静态压缩实验,得到力学性能与人体骨骼匹配的骨小梁支架。方法:通过隐式曲面法,建立G型、Ⅰ型、P型和D型4种径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架;采用激光选区熔化技术制备样件,观测成型样件的表面形貌,评估成型质量,进行准静态压缩实验,评估样件的力学性能。结果与结论:准静态压缩实验结果表明,对比4种径向梯度三周期极小曲面支架,G支架平台应力波动小,没有出现失效断裂,塑性最好;对45%,55%和65%3种孔隙率G支架的力学性能进行分析,发现55%孔隙率G支架的弹性模量在人体松质骨的弹性模量范围内(0.022-3.7 GPa),屈服强度接近人体皮质骨最大屈服强度(187.7-222.3 MPa)。结果显示,55%孔隙率的G型径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架能够降低应力遮挡效应,承受较高人体载荷,提高植入物的稳定性,延长植入物的使用寿命。

基于增材制造的三周期极小曲面结构关键力学性能研究进展

三周期极小曲面结构是一类具有光滑连续曲面和高比表面积的特殊多孔结构,具有承载能力强、能量吸收率高、疲劳性能好等优异性质,在航空航天、生物医学和隔声吸声等诸多领域有着广泛的应用.增材制造技术在制造复杂拓扑结构方面具有独特优势,为三周期极小曲面结构的制造提供了有力工具.然而增材制造过程中也引入诸多缺陷,对结构的力学性能产生重要影响.全面深入地研究增材制造三周期极小曲面结构的力学性能,对评价和预测结构性能、扩宽其在工程中的应用具有重要意义.首先从结构形式、特点及应用领域等方面对三周期极小曲面结构进行了介绍,重点针对静态压缩吸能、动态抗冲击和疲劳断裂等关键力学性能,综述了近期的重要进展.围绕三周期极小曲面结构的隔声吸声性质和热交换性能,亦进行了讨论.其次,以选区激光熔化与选区激光烧结为例,介绍了增材制造制备三周期极小曲面结构的主要方法.再次,结合增材制造技术,讨论制造过程中引入的缺陷对三周期极小曲面结构力学性能的影响,包括残余应力、表面粗糙度和内部微孔洞等.最后,结合实际应用对该领域面临的主要困难和挑战进行总结,同时展望了未来的研究方向.

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。

基于三周期极小曲面结构的电机外壳散热性能研究

为优化电机散热性能,分别设计三周期极小曲面(TPMS)和翅片两种结构的电机外壳,并通过有限元分析和装机温升实验对其进行性能评估。温升测试过程中,TPMS结构机壳最高温度为46.2℃,内部线圈最高温度为107.7℃。与原始结构和翅片结构相比,机壳最高温度分别降低了18.7%和42.2%,线圈温度分别降低了33.7%和10.6%。结果表明,TPMS结构具有更优异的散热效果,可有效提高电机的散热性能。

基于三周期极小曲面骨小梁结构的设计及优化

背景:近年来骨组织工程支架结构应用广泛,但其稳定性、可控性较差并易产生应力集中。三周期极小曲面具有多孔性、光滑性、连通性、多样性及可控性等诸多优点,为骨组织支架设计及应用提供了新思路。目的:基于隐式曲面法构建骨小梁结构,应用有限元数值模拟方法及拓扑优化技术对其进行结构优化。方法:①基于隐式曲面法参数化构建三周期极小曲面结构,构建三周期极小曲面S-P型、D型和G型骨小梁结构;②采用有限元数值模拟方法对构建的骨小梁结构进行压缩仿真;③利用变密度法和固体各向同性材料惩罚模型建立S-P骨小梁结构拓扑优化数学模型,进行结构优化。结果与结论:①应力云图显示,3种骨小梁结构在单元结构相交处呈现较大应力值,S-P型出现在单元径向连接处,G型出现在轴向连接处,D型在轴向和径向连接处均有,S-P、G、D型骨小梁结构的等效应力分别为105.07,694.78,637.36 MPa;②位移云图显示,3种骨小梁结构接近施加位移面的部分位移最大,沿轴向递减,S-P型的总形变小于G、D型;③3种骨小梁结构的孔隙率均高于50%,其中S-P型孔隙率最高,达到90.7%,孔径为0.63 mm,骨长入性能优于G、D型;④经拓扑优化后,S-P型骨小梁结构的等效应力为149.11 MPa,质量减少13.9%,符合骨组织支架设计要求;⑤结果显示,基于三周期极小曲面参数化建模结合有限元数值模拟及拓扑优化方法对骨小梁结构进行设计优化,为骨植入物表面结构设计提供了新思路。

三周期极小曲面结构设计及应用综述

三周期极小曲面是一种隐函数表示的代数曲面,具有许多优良的性质.增材制造技术的快速发展极大地增强了复杂几何与拓扑结构的制造能力,三周期极小曲面作为几何建模工具越来越受到关注.首先,从数学表达、性质、应用以及几何设计方法等方面对三周期极小曲面的研究现状进行介绍;其次,对三周期极小曲面在力学、传热传质、组织工程和声学等方面的性能及相关应用进行总结,从几何建模方法的角度对三周期极小曲面进行分类梳理,将现有工作分为规则单元法、参数单元法、区域拼接法以及整体优化法4类,对各方法特点进行分析;最后,结合实际应用对该领域面临的挑战进行总结,并展望未来工作与发展趋势.

基于Gyroid三周期极小曲面的多孔骨支架梯度结构设计与力学性能分析

针对人体骨骼与骨支架之间存在的应力屏蔽问题,基于Network型Gyroid多孔结构,提出一种孔隙率随径向和轴向发生梯度变化的多孔骨支架设计方法,并通过有限元仿真对不同孔隙率梯度下的多孔骨支架力学性能和渗透性进行分析。结果表明,当径向梯度变化量为40%时,随着平均孔隙率从50%增加到75%,径向孔隙率梯度相比于均质对多孔骨支架等效杨氏模量的提升幅度约从5.53%提高至17.26%,但对多孔骨支架压缩屈服强度的影响呈下降趋势,提升幅度约从3.57%降至0.69%;当平均孔隙率为75%时,轴向梯度变化量为40%的梯度骨支架比均质骨支架的等效杨氏模量和压缩屈服强度分别下降约61.25%和80.97%;径向梯度骨支架的渗透性优于均质骨支架和轴向梯度骨支架;采用Ti6Al4V材料制造的Network型Gyroid孔隙率梯度多孔骨支架的杨氏模量与密质骨的杨氏模量较为匹配,能有效减小骨支架与人体骨骼之间应力屏蔽的影响。

不同孔径3D打印三周期极小曲面基元支架调控成骨细胞生物学行为的研究

目的基于3D打印三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)基元支架,探索不同孔径对成骨细胞MC3T3-E1增殖和分化的影响,为3D打印个性化假体多孔结构的设计提供理论基础。方法基于TPMS和选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)设计和制造具有3种孔径(400μm、600μm和800μm)的TPMS基元支架。将不同孔径的支架与成骨细胞MC3T3-E1共培养,通过细胞计数试剂(cell counting kit-8,CCK-8)、细胞骨架染色、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性和蛋白质印迹法(western blot,WB)分析评价其对成骨细胞增殖和分化的影响。结果扫描电镜显示成功制造了不同孔径的3D打印TPMS基元支架,并且成骨细胞MC3T3-E1在支架中展现了良好的黏附性。CCK-8实验的结果表明,随着孔径的增大,MC3T3-E1的增殖性也明显增加。此外,TPMS基元支架在孔径大小为600μm时ALP的活性最高。WB分析进一步发现Ⅰ型胶原蛋白(collagen typeⅠ,ColⅠ)、Runt相关转录因子2(Runt related transcription factor 2,Runx2)和骨桥蛋白(osteopontin,OPN)在600μm组的表达同样最高。结论随着孔径的增大,3D打印TPMS基元支架更有助于成骨细胞增殖,而在孔径大小为600μm时最有助于成骨细胞分化。

基于体素和三周期极小曲面的骨支架多孔结构设计

为解决组织工程骨支架多孔结构设计问题,提出一种基于体素和三周期极小曲面的骨支架设计方法。采用隐函数表达的三周期极小曲面作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数及Log-Sigmoid函数的方法,构建不同结构的三周期极小曲面孔隙单元;采用逆向几何求交体的体素化算法,对三角网格模型进行空间单元划分,进而确定目标装配区域;再通过形函数坐标变换,将孔隙单元映射到空间单元中,从而构建空间域多孔结构;最后采用布尔运算得到具有多孔结构的支架模型。实例结果表明,所提设计方法能构建孔隙结构可控的多孔模型,从而为组织工程骨支架设计提供一种可行的方法。

基于三周期极小曲面和等参单元法的骨支架建模方法研究

生物骨支架是治疗骨组织缺损的理想方法,如何构建有利于细胞黏附、繁殖、新陈代谢等的微观孔隙结构是构建生物骨支架亟待解决的问题。基于三周期极小曲面和等参单元法,研究一种适合于生物骨支架的建模方法。基于移动立方体算法,线性差值求解三周期极小曲面近似插值面,并结合拉普拉斯算子,构建三周期极小曲面单元;基于等参单元法,通过形函数坐标变换构建不规则形状孔隙曲面单元;基于模板法,局部网格加密构建不同尺度孔隙单元,并通过与实体轮廓模型布尔运算,构建出含有微观孔结构的生物骨支架实体模型。研究表明,利用三周期性极小曲面和等参单元法所构建的骨支架结构,可以实现对孔隙形状,尺度控制,为骨支架建模提供一种可行性的方法。

变形三周期极小曲面多孔结构参数化设计

规则三周期极小曲面(TPMS)常用于设计骨组织均质或梯度多孔结构,而变形三周期极小曲面的多孔结构,可改善其在一定方向上的力学性能.针对变形三周期极小曲面多孔结构的设计,提出一种基于变形三周期极小曲面多孔结构设计方法.通过改变TPMS三角函数参数表达式中的幅度因子,设计变形TPMS孔单元.探究幅度因子和阈值对孔隙形状和孔隙率的影响,建立孔隙参数与TPMS函数表达式参数之间的明确关系,提出变形TPMS多孔结构参数化设计方法.该方法采用Rhinoceros的Grasshopper插件实现,并设计输出不同孔隙率的多孔结构.结果表明,该方法可以控制多孔结构孔隙形状和孔隙率,设计误差满足允许范围,符合骨组织多孔结构设计要求.

三周期极小曲面多孔材料渗透率尺度特性研究

三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)在多孔材料设计中的应用日益广泛,但其渗透性能的尺度特性缺乏研究。以4种常用的TPMS单元作为研究对象,在介绍其数学模型及孔隙率控制方法的基础上,建立基于CFD(computational fluid dynamics)的仿真分析模型;对不同孔隙率的TPMS单元和立方多孔结构进行数值仿真分析,明确了其尺度和渗透率之间定量关联规律,即在所选的尺度范围内,各类TPMS单元和立方多孔结构的渗透率是尺度的二次函数。对于TPMS多孔材料渗透性的设计,研究成果可以为TPMS单元类型和尺度的选择提供仿真方法支撑。

杆状和片状三周期极小曲面模型孔隙特征与力学性能对比

目的分析对比杆状与片状三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)模型孔隙特征与力学性能,构建高比表面积、低刚度和高强度的多孔结构。方法构建相同孔隙率的D、G、P 3种单元杆状TPMS与片状TPMS模型,对比模型的孔径、杆径、比表面积等孔隙特征;利用有限元方法分析模型的力学性能;采用增材制造技术制作多孔钛样件,利用显微镜和扫描电镜观测多孔钛孔隙特征,通过压缩试验检测多孔钛力学性能。结果同种单元片状结构的比表面积均显著高于杆状结构,同种单元片状结构的力学性能明显优于杆状结构。其中,D单元片状TPMS模型的优势最显著,比表面积为13.00 mm^(-1),多孔钛样件的弹性模量、屈服强度和抗压强度分别为(5.65±0.08)GPa、(181.03±1.30)MPa和(239.83±0.45)MPa,比杆状多孔钛样件分别提高43.87%、55.08%和67.21%。结论相同单元的片状TPMS模型在保留有多孔结构低刚度的同时,有更大的比表面积,更有利于细胞的黏附生长,其低刚度、更高强度的力学特性能有效降低应力遮挡,提供足够的力学支撑,是一种理想的骨缺损修复替代物孔隙结构模型。

三周期极小化曲面单元结构骨小梁假体的生物力学性能

背景:3D打印骨小梁结构是新兴技术之一,其特有的结构和生物力学特性满足更多患者的临床需求,是未来精准医学的发展方向之一,但这一技术目前仍处于初步应用阶段,理论应用研究较少。目的:建立基于三周期极小化曲面单元结构的骨小梁假体生物力学有限元模型,分析不同曲面结构的生物力学性能差异。方法:以Matable软件根据函数公式生成曲面片结构,然后应用Magics 19.0设计三周期极小化曲面单元结构骨小梁假体,并在ABAQUS划分四面体网格,模拟人体站立状态下的受力环境。分析应力分布与位移,比较在宿主环境下的生物力学差异。结果与结论:①S曲面结构、D曲面结构、G曲面结构因孔隙率差异不大,生物力学差异不明显,相较于传统结构有明显改变,生物力学性能更优;②多孔结构的空隙率决定了假体的生物力学性能;③多孔结构假体的复合层出现层间结合容易出现应力突变现象;④多孔结构假体会明显减少植入体与宿主骨之间产生严重的应力遮挡效应。

基于三周期极小曲面的三维打印全接触鞋垫建模方法

全接触鞋垫可以降低足底峰值压力来改善和预防糖尿病足群体的神经性溃疡症状,传统全接触鞋垫设计方法操作复杂,本文提出一种新颖的基于三周期极小曲面(TPMS)的三维打印全接触鞋垫建模方法。通过数据采集、全接触模型构建、模型多孔化3个步骤构建基于TPMS结构的全接触鞋垫,使用三维打印技术生产。首先采集用户脚部模型和目标鞋垫模型。然后通过拉普拉斯变形算法将预制鞋垫模型的下边缘逼近扫描鞋垫,并调整预制鞋垫模型上表面到接近脚底曲面构造出全接触鞋垫模型。最后使用基于Marching Cubes方法的网格重建方法将全接触鞋垫重建为基于TPMS结构的网格模型。实验验证了本文提出的方法可以设计出具有减轻足底峰值压力能力的全接触鞋垫。

基于三周期极小曲面的起落架斜撑杆结构设计

减轻结构重量一直是飞机设计追求的目标,随着3D打印技术的发展,使得各种复杂结构制造成为可能。充分利用三周期极小曲面结构具有优良力学性能的特点,采用TPMS-P结构对某型号起落架斜撑杆进行结构重新设计,对不同结构外壁厚的TPMS-P曲面参数进行了分析,设计了两种优化结构,经仿真计算表明:极小曲面结构进行结构优化后,可以有效缓解应力集中,并降低结构重量,为结构轻量化设计提供了新的思路。

基于三周期极小曲面和体素距离场的复杂轮廓点阵结构建模

随着增材制造技术的快速发展,基于三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)的点阵结构因具有轻质高强度、连通性好、拓扑结构可控等优点,在结构轻量化设计、生物植入物中得到广泛应用。但TPMS点阵结构的建模存在过程繁琐、易出错、计算时间长等问题,如何高效、稳定地建模出具有复杂轮廓的TPMS点阵结构成为亟待解决的问题。笔者基于TPMS和体素距离场提出了一种复杂轮廓TPMS点阵结构的建模方法。通过移动立方体法构建TPMS单元三角面片模型;基于点与几何模型的拓扑位置关系,将空间中的点体素化,并提取模型轮廓边界的点。通过计算边界点的距离场,并与TPMS的距离场进行布尔运算,实现复杂轮廓TPMS点阵结构的建模。实例验证表明,该方法能够高效、稳定地建模复杂轮廓TPMS点阵结构。

基于三周期极小曲面β-磷酸三钙仿生骨支架设计和生物活性的检测

背景:增材制造技术可以精确、个性化地定制具有复杂多孔结构的骨支架,达到恢复临界骨缺损区域松质骨结构和功能的效果。目的:通过材料学和细胞学表征,明确三周期极小曲面结构β-磷酸三钙生物陶瓷骨支架的机械性能及生物活性,揭示三周期极小曲面结构对成骨细胞的调控效果。方法:通过Matlab R2020a软件设计330,420,510μm 3种孔径的三周期极小曲面G曲面支架,Inspire 2018软件分析支架结构设计。以三周期极小曲面结构导出后的STL文件为蓝本,通过基于数字激光加工的增材制造技术制备3种β-磷酸三钙生物陶瓷支架,采用扫描电镜观测支架表面形貌,X射线衍射仪检测物相组成,万能材料试验机检测支架的力学强度。将MC3T3-E1细胞与3种支架共培养,检测细胞的增殖活性、黏附能力与碱性磷酸酶活性。结果与结论:(1)Inspire 2018软件显示,三周期极小曲面呈现出光滑、连续、均一的贯通式多孔结构;(2)扫描电镜下可见,基于数字激光加工的增材制造技术成功实现了三周期极小曲面结构的精确成型;(3)X射线衍射结果证实,支架由纯β-磷酸三钙晶相组成;(4)3组支架的压缩强度和弹性模量均处于或接近松质骨力学强度范围,且支架的压缩强度与孔径大小呈反比;(5)CCK8实验显示,MC3T3-E1细胞在3种支架上生长良好,生物活性与孔径呈现剂量依赖关系,510μm孔径促进细胞增殖效果最佳;(6)活细胞成像仪和激光共聚焦显微镜下可见,MC3T3-E1细胞能够在3种支架上实现早期黏附,且黏附量随孔径增大而增加;(7)碱性磷酸酶活性分析表明,420μm孔径支架上细胞的碱性磷酸酶活性最高;(8)结果表明,三周期极小曲面结构β-磷酸三钙生物陶瓷支架表现出较好的机械性能与生物活性,其中420μm孔径有利于促进细胞分化,510μm孔径有利于细胞增殖,具有修复临界骨缺损的应用潜力。