CN105589994B - 多孔材料单元网格结构的拓扑优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了多孔材料单元网格结构的拓扑优化设计方法，通过这种网格结构材料能在降低弹性模量的基础上保证网格的力学性能。先应用ansys软件里的拓扑优化模块topological opt，设置好材料属性、弹性模量及体积分数，然后根据模块分析得出的密度云图，在三维画图软件SolidWorks上进行模型重建。对已经建好的拓扑优化模型以经过受力方向的表面B为基准面，进行一次镜像处理得到表面A，然后再依次以表面A和表面B为基准面进行镜像处理后，单元网格结构呈现最后单元图形，将其导入至magics软件的网格模型作为单元网格用于制造多种外形和尺寸不一的各种多孔网格产品。本发明提供的网格结构在工业轻量化设计及医疗个性化植入体等领域都有很大的发展应用前景。

Description

多孔材料单元网格结构的拓扑优化设计方法

技术领域

本发明设计可自由调节弹性模量且拥有最佳的优化结构的多孔材料单元网格结构，属于生物医疗领域。

背景技术

医用金属植入材料是用以替代或者修复人体正常组织并行使其生理功能的材料，通常需要满足以下的几点性能要求：1.生物相容性；2.优良的机械性能；3.低弹性模量，4耐蚀性和耐磨性。长期以来，医用金属植入材料主要有不锈钢、CoCr合金、Ti基合金等。医用金属植入体在临床上得到应用源于Branemark先生在1952-1965年间发现的骨整合理论，他这样表述：“表达骨骼组织与无机的、异质成型材料间产生直接生长接触的现象”。这个发现使得在1965年首个纯钛移植体--Branemark牙根种植体--的出现(瑞典，哥德堡大学)。Branemark种植体也是现在国际上公认的最好的牙根种植体。

不过这种全实心的种植体并非十全十美，主要原因在于其弹性模量无法与人体骨骼相匹配。钛相对其他生物金属材料而言具有最低的实体弹性模量(110GPa)，但与人体骨质弹性模量(<30GPa)仍是存在巨大差距。根据wolff定律，当金属植入体的硬度比骨更硬时，负载将会落在植入体上，从而减小了其周围骨骼上的负载造成“应力屏蔽”现象--因为压力减小而弱化骨骼的现象。这会造成植入体的松弛，更甚者，导致移植失败。另者，植入体还有可能挤压和预压效应对骨骼产生更大的压力，从而导致骨坏死。

多孔材料是一类具有周期性排列孔隙的材料，与实体材料相比，这些特殊的多孔结构材料具有一些独特的性能：可任意根据其孔隙率调节弹性特性(弹性模量和泊松比)，优良的综合力学性能(主要是强度和刚度)等等。与此同时，人体硬组织也有着复杂的显微多孔结构。按其孔隙度和弹性模量的大小可分为致密骨和松质骨。从表面上看，骨质很像是实心固体。但大多数骨质都是由致密骨质的外壳裹着多孔网状骨质的芯部组成。这样的多孔结构有利于人体新骨组织的长入以及营养物质的输送。因此，具有良好生物相容性的多孔结构植入材料便成为了研究热点。

传统制备金属材料多孔结构的方法大体可分为四大类，1、从液体金属开始进行制作，如熔体发泡法、熔铸法等；2，从固态金属粉末进行制作，如金属粉末烧结、气体夹带法等；3，电沉积法；4，气相沉积法。这些方法都能够成功在材料内部形成孔洞，但其性能要求无法预测，而且孔隙率大小和形貌不能自由进行设计或者结构调整，制造具有一定的盲目性，缺乏行之有效的设计理念。近几十年来，随着快速成型技术的迅猛发展，制造结构复杂零件且具备内孔结构的能力大大提高，L.E.Murr等应用电子束选区熔化技术对多种网格结构进行了设计和制造，如十字架型，菱形二十四面体等等，其结构性能往往都大同小异，直接制造特定结构虽然相对传统的发泡法等制造的结构更加的具有目的性，但结构本身性能的优劣没有理念的预测和认知。A.Bandyopadhyay作了许多关于弹性模量与孔隙度本身具体关系的研究，他利用快速成型的LEAN技术制作了孔隙度从35％-95％的一系列TiNi多孔支架结构材料，发现符合人体密质骨弹性模量(10G-25GPa)的孔隙约在40％-80％之间，但结构的力学强度等性能上不能给出满意的结果。

随着优化算法和计算机科学的迅速发展，结构优化，特别是结构拓扑优化方法的研究和应用得到了巨大的发展。拓扑优化设计旨在通过对结构的尺寸、形状及拓扑等参数进行合理的调整，使得调整后的结构能够在满足强度、刚度、稳定性以及其它一种或多种设计要求的前提下，指定的目标性能达到最优，比如重量最轻、造价最低等。

目前，工程上应用拓扑结构优化大多局限于二维平面结构的优化方法，进行三维连续体结构拓扑优化很容易在实施过程中，某些迭代步出现一些“奇异结构”--结构中出现很多孤立的结构或者孔洞，因此，三维的拓扑结构优化结果往往造成结构的不规则性和多孔性，这对于传统制造方法而言，需要重新调整其结构形状才能加工，有些甚至无法加工。

发明内容

在增材制造(SLM)对复杂多孔结构的制造优势下，根据以上的研究结果本发明提供了一种三维连续体拓扑优化方法设计的多孔单元网格结构。该结构在大大降低材料本身的弹性模量的同时，能有效保留其力学性能。选择符合医用金属植入体材料特性的材料加工出多孔网格结构，改善医用种植体材料的功能和质量。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

多孔材料单元网格结构的拓扑优化设计方法，单元网格结构由八个形貌相同但排列方向各异的拓扑优化结构组成。

具体的设计方案为：先进行拓扑优化设计，拓扑优化过程可简化为一n×n×n(n为大于等于1的整数)正方体，右上角(n，n,n)受到一个的集中载荷力，左下角(0,0,0)为固定端，输入实心材料本身无孔隙情况下的弹性模量和泊松比及想要得到多孔结构的体积分数。网格划分20层(20为建议值，太大影响计算机运算速度，太小影响精确度)，设定拓扑优化控制过程并求解得到最终的密度云图，最后在密度云图中控制输出密度为0.8以上部分。建模过程为了详尽的获取整个优化结构的信息，可通过密度云图在X轴方向上划分出多个剖面，将每个剖面的中密度超过0.8的图像通过画图软件进行定位记录，最后将记录的多个剖面形状进行串联至整个结构建模完成。

最后是具体的排列方式：对已经建好的拓扑优化模型以经过受力方向的表面B为基准面，进行一次镜像处理得到1/4模型，然后再依次以垂直于受力方向的表面A和另一个经过受力方向的表面C为基准面进行镜像处理后，最终呈现一个完整的单元网格结构。

将建模完成后的网格模型导入至magics软件中的作为单元网格用于制造多种外形和尺寸不一的多孔网格产品。

本发明因是作为人体植入材料，所以推荐原始材料为钛及医用钛合金或者钴铬合金等具有优良的生物相容性材料。

因此，网格结构的设计完全根据拓扑优化结果而进行，保留密度较大的部分意味着在此正应力环境下该处材料所受应力较为集中，因此此处的材料不可或缺，而其他部分因为所受应力较小或者为零，完全可以去除来提高结构的材料利用率。八个结构相同而排列方向各异的拓扑结构组装能够提高结构和受力的均匀性。而此结构孔洞都为开环结构，小孔与外部环境相连通，完全适应于增材制造技术。

附图说明

图1为拓扑优化模型重建后左右二等轴测图

图2为单元网格的左右二等轴测图

具体实施方式

下面通过附图和具体的多孔网格结构对本发明进行进一步详细的说明。

本发明模拟过程先通过在模拟软件ansys中建立一个20×20×20正方体模型，右上角(20,20,20)受到一个的集中载荷力，左下角(0,0,0)及其周边为固定端，输入实心材料本身无孔隙情况下的弹性模量和泊松比及想要得到的体积分数。网格划分20层，设定拓扑优化控制过程(ACCUR(精确度)＝0.001、ITER(迭代次数)＝20)并求解得到最终的密度云图，最后在密度云图中控制输出密度为0.8以上部分得到。建模过程通过应用软件SolidWorks，将密度云图沿X轴方向上划分20-30个剖面，将剖面密度信息中超过0.8密度的图像通过画图软件进行定位记录，最后放样串联直至建模完成如图1所示。最后是具体的排列方式：对已经建好的拓扑优化模型以经过受力方向的表面B为基准面，进行一次镜像处理得到1/4模型，然后再依次以垂直于受力方向的表面A和另一个经过受力方向的表面C为基准面进行镜像处理后，最终呈现一个完整的单元网格结构图2。

虽然这里结合具体的实施例对本发明进行了描述，但是对本领域技术人员来说，很多其它的变化、改进以及应用将是很明显的。因此，本发明不应当受此处特定公开的限制，而应由附加的权利要求来限定。

Claims (2)

1.多孔材料单元网格结构的拓扑优化设计方法，其特征在于：其基本结构单元由八个形貌相同但排列方向各异的拓扑优化结构组合而成，每个结构的设计都遵守拓扑软件优化后的密度云图结果；拓扑优化过程简化为一个n×n×n正方体，n为大于等于1的整数；正方体右上角(n，n,n)受到一个的集中载荷力，左下角(0,0,0)为固定端，输入实心材料本身无孔隙情况下的弹性模量和泊松比及想要得到多孔结构的体积分数；网格划分20层，设定拓扑优化控制过程并求解得到最终的密度云图，最后在密度云图中控制输出密度为0.8以上部分；

排列方式是：对已经建好的拓扑优化模型以经过受力方向的表面B为基准面，进行一次镜像处理得到1/4模型，然后再依次以垂直于受力方向的表面A和另一个经过受力方向的表面C为基准面进行镜像处理后，最终呈现一个完整的单元网格结构。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，多孔材料为钛或者医用钛合金或者钴铬合金。