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。

三轴曲面数控加工工艺参数的优化研究

曲面加工过程中刀具的耐磨性是影响工件加工质量和刀具使用寿命的主要性能指标,制定科学合理的加工工艺是提高数控加工过程中工件质量的主要手段。课题组利用CAD/CAM软件对加工对象进行三维建模和后置处理,得到最佳的刀具使用参数和数控加工程序,并将其应用于实际加工过程中。结果表明,合理设置刀具切削工艺参数和数控加工工艺,能提高刀具使用寿命和工件加工质量,实现曲面数控加工的高质量效果。

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。

数控加工三坐标曲面零件CAD/CAM

介绍了数控加工三坐标曲面零件计算机辅助编程时所要进行的图样分析、工艺分析、确定步长和步距、曲面处理、后置处理及其控制介质制作的过程。

拟三次Bézier曲线曲面的拼接技术

针对工程中复杂自由曲线曲面难以用单一曲线曲面来表示的问题,研究了一种带形状参数的拟三次Bézier(三次Q-Bézier)曲线曲面的拼接技术.在对三次Q-Bézier曲线基函数及其端点性质分析的基础上,给出了两相邻三次Q-Bézier曲线间G1、G2和C1、C2拼接的充要条件,运用张量积的方法给出了双三次Q-Bézier曲面的几何模型,同时分析了两相邻双三次Q-Bézier曲面片间G1光滑拼接的几何条件,并通过合理地选取形状参数,进一步简化了该曲面的G1拼接条件,给出了三次Q-Bézier曲线曲面光滑拼接的几何造型实例.实例结果表明,所提方法简单、直观、易实现,有效地增强了三次Q-Bézier方法表达复杂曲线曲面的能力,可广泛地应用于工程复杂曲线曲面的造型系统中.

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。

三角域上带形状参数的三次Bézier曲面

张量积Bézier曲面被成功地应用于商业CAD系统中,然而实际工程中的某些外形却无法依靠张量积形式实现.因此在CAGD中,三角Bézier曲面成为外部形状设计的主要工具之一.为了更加灵活地控制三角曲面的形状,构造了一组带形状参数的三次多项式基函数,它们是三角域上三次Bernstein基的扩展.利用该组基函数定义了三角域上带形状参数的多项式曲面.基函数和曲面分别具有Bernstein基和Bézier曲面的性质.在形状参数的取值范围内,三次Bézier三角曲面是它的特例.由于含有可调的形状参数,该曲面在形状修改与变形中具有更大的灵活性.形状参数具有明确的几何意义,参数越大曲面越逼近控制网格.实例表明,通过改变形状参数的取值可以调整曲面的形状,在CAGD中该方法是有效的.

球形刀三坐标曲面加工刀位计算及误差分析研究

针对三坐标数控编程及加工中的刀位计算问题,分析了计算球形刀在被加工曲面上任意一点刀具中心轨迹的坐标公式,讨论了采用球形刀加工而引起加工方法误差的原因及误差补偿方法,并给出了走刀步长与加工误差的关系式.

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.

用有理双三次Bézier曲面片混合二次曲面

提出一种二次曲面混合方法,混合曲面由2张有理双三次Bézier曲面片构成,它们之间保持G2连续,混合曲面与二次曲面间保持G1连续.给出了混合曲面片控制顶点的显式表示,通过修改2类混合参数可以直观地调节混合方向及混合曲面的形状.另外,混合5个圆锥曲面的例子表明,该方法为多个二次曲面的混合问题提供了有效途径.

三次Hermite参数曲线与曲面的扩展

在给定插值条件时,标准三次Hermite参数曲线与曲面的形状无法调整。为克服标准三次Hermite参数曲线与曲面的不足,首先通过提高基函数次数的方法给出了一种带形状参数的四次Hermite基函数,然后生成了相应的带形状参数的四次Hermite参数曲线与曲面。所生成的曲线与曲面是标准三次Hermite参数曲线与曲面的扩展,不仅与标准三次Hermite曲线与曲面具有完全相同的性质,而且当插值条件给定时,其形状可通过修改形状参数的取值进行局部或整体调节,为插值曲线与曲面的构造提供了一种新方法。