CN112711885B - 一种多孔结构材料设计的逆向优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种多孔结构材料设计的逆向优化方法。该方法针对非规则形状多孔结构工件或定制式多孔结构工件，通过提前针对该特定材料和该特定多孔结构进行一系列力学性能研究，获取不同丝径下的力学性能基础研究数据，然后针对所需设计的工件先进行均匀多孔结构设计，通过有限元分析的方式，模拟出该工件在相应受力环境下的应力分布情况，然后重新对多孔结构工件进行相应调整，对应力较大区域按适当增大丝径，而应力较小的区域则可以适当减小丝径，从而实现多孔结构设计的逆向优化。

Description

一种多孔结构材料设计的逆向优化方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种多孔结构材料设计的逆向优化方法。

背景技术

多孔结构目前已广泛应用航空航天、医疗器械等领域，通过将工件设计成多孔结构，可以在保留所需力学强度的前提下尽可能减轻工件的质量，在医疗器械骨科领域，将植入物设计成多孔结构，不仅可以大幅降低植入物的弹性模量，减小应力遮蔽效应，还能给骨细胞提供依附和生长的空间，实现骨长入效果，使植入物与人体自然骨形成一个有机整体。

目前的多孔结构设计往往是均匀分布的，研究者往往是基于多孔结构或材料属性对多孔结构工件进行整体优化，基于这种方式设计出的多孔结构产品往往会遇到一个瓶颈：即对于非规则形状的工件，尤其是对于定制式的工件，其应力分布是不均匀的，而决定这个工件是否能够满足需求的条件，则是应力最集中的区域是否提供足够的强度，而不致使工件失效，类似于常见的“木桶效应”。

目前也有部分学者提供通过变结构设计的方式，实现用最少的材料和最低的成本，来使工件获得最优性能。这种设计方式仍然属于一种正向的优化方向，在无法准确预测需要增强的部位以及所需增强至何种程度的前提下，变结构设计的方式仍然是比较盲目的。

发明内容

基于此，本发明针对上述的问题，提供了一种多孔结构设计的逆向优化方法，针对现有技术难以准确对工件结构进行设计，旨在解决多孔结构设置过程中对于非规则形状工件应力分布不均，而导致工件失效的技术问题。

本发明实施例提供的一种多孔结构设计的逆向优化方法，具体包括：

获取3D打印材料的力学性能参数，构建多孔结构材料设计基础数据库；

构建多孔结构的工件模型，并对所述工件模型进行网格划分，输入与所述多孔结构对应的材料属性参数，并进行有限元分析获取所述多孔结构的工件的应力分布；

根据所述多孔结构的工件的应力分布和所述基础数据库，对所述多孔结构的工件模型进行尺寸修正，获得修正多孔结构工件模型；

将所述修正多孔结构工件模型进行有限元分析，获取修正后的应力分布，获得应力分布最佳的多孔结构工件模型。

更进一步地，所述基础数据库为不同丝径多孔材料对应的力学性能参数，所述力学性能参数包括：拉伸性能参数、压缩性能参数、弯曲性能参数和扭转性能参数。

更进一步地，所述材料属性参数包括：弹性属性参数、塑性属性参数，以及荷载与边界位移参数。

更进一步地，所述根据所述多孔结构的工件的应力分布和所述基础数据库，对所述多孔结构的工件模型进行尺寸修正，获得修正多孔结构工件模型步骤具体包括：

根据所述多孔结构的工件的应力分布，获取应力集中区域和分散区域的米塞斯应力值；

根据所述基础数据库中丝径与所述力学参数的对应关系，对所述多孔结构工件模型中的应力集中区域和应力分散区域进行丝径尺寸修正，获取修正多孔结构工件模型。

更进一步地，所述丝径修正过程中对不同丝径之间均匀过度。

更进一步地，所述将将所述修正多孔结构工件模型进行有限元分析，获取修正后的应力分布，获得应力分布最佳的多孔结构工件模型步骤具体包括：

将所述修正多孔结构工件模型进行有限元分析，获取修正后的应力分布，并获取修正后最大米塞斯应力，当所述修正后最大米塞斯应力小于预先设定的阈值时，获得应力分布最佳的多孔结构工件模型。

有益效果：

本发明提供了一种多孔结构设计的逆向优化方法，可以针对非规则形状多孔结构工件或定制式多孔结构工件，通过提前针对该特定材料和该特定多孔结构进行一系列力学性能研究，获取不同丝径下的力学性能基础研究数据。然后针对所需设计的工件先进行均匀多孔结构设计，通过有限元分析的方式，模拟出该工件在相应受力环境下的应力分布情况，然后重新对多孔结构工件进行相应调整，对应力较大区域按适当增大丝径，而应力较小的区域则可以适当减小丝径，从而实现多孔结构设计的逆向优化。

本发明提供的一种多孔结构设计的逆向优化方法，能够对非规则形状多孔结构工件或定制式多孔结构工件进行有针对性的多孔结构设计，减少应力集中和设计冗余的情况，从而实现用最少的材料和最低的成本，使工件获得最优的性能。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种多孔结构设计的逆向优化方法流程图；

图2为本发明实施例提供的不同丝径压缩试样示意图；

图3为本发明实施例提供的不同丝径试样的压缩应力应变曲线；

图4为本发明实施例提供的250微米均匀丝径工件的多孔结构示意图；

图5为本发明实施例提供的250微米均匀丝径工件受力云图；

图6为本发明实施例提供的丝径调整过程的示意图；

图7为本发明实施例提供的经逆向优化后的工件的多孔结构示意图；

图8为本发明实施例提供的经逆向优化后的工件的受力云图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，在一个实施例中，提供了一种多孔结构设计的逆向优化方法，具体包括以下步骤：

步骤101，获取3D打印材料的力学性能参数，构建多孔结构材料设计基础数据库。

在本发明实施例中，先对所使用的3D打印材料，如不锈钢、钛合金、钴铬钼合金、钽金属、聚醚醚酮等材料进行基础力学性能研究，通过在相同结构单元尺寸的条件下，打印出不同丝径的多孔结构力学测试样品，测量出不同丝径所对应的力学性能参数，所述力学性能参数包括：拉伸性能参数、压缩性能参数、弯曲性能参数和扭转性能参数，作为多孔结构的基础数据，构建多孔材料设计基础数据库。

步骤S102，构建多孔结构的工件模型，并对所述工件模型进行网格划分，输入与所述多孔结构对应的材料属性参数，并进行有限元分析获取所述多孔结构的工件的应力分布。

在本发明实施例中，通过UG、SolidWorks、Magics、3-maticSTL等软件设计出具有均匀多孔结构的工件模型，并通过前处理软件如hypermesh、3-matic等可对工件模型进行网格划分；通过大数据查询或物理实验获得工件模型材料的材料属性，所述材料属性包括弹性属性、塑性属性，其中弹性属性如弹性模量、泊松比，塑性属性如屈服应力、塑性应变等，并根据工件的使用情况设计仿真分析，设置不同荷载，并获得在不同荷载条件下的工件材料的加载力与位移等参数，输入上述所述的材料属性参数，在ANSYS、ABAQUS等软件中进行有限元分析，获得多孔结构工件的应力分布。

步骤103，根据所述多孔结构的工件的应力分布和所述基础数据库，对所述多孔结构的工件模型进行尺寸修正，获得修正多孔结构工件模型。

在本发明实施例中，根据所述多孔结构的工件的应力分布，获取应力集中区域和分散区域的米塞斯应力值；并根据所述步骤101获取的基础数据库中丝径与所述力学参数的对应关系，对所述多孔结构工件模型中的应力集中区域和应力分散区域进行丝径尺寸修正，该修正过程主要通过对工件上应力集中的区域，通过UG、SolidWorks、Magics、3-maticSTL等软件将该区域的多孔结构的丝径进行加粗，相应地，对于应力分散的区域，可适当减小丝径的直径，不同直径的丝径之间应该均匀过渡，避免出现尺寸结构突变引起新的应力集中。

步骤S104，将所述修正多孔结构工件模型进行有限元分析，获取修正后的应力分布，获得应力分布最佳的多孔结构工件模型。

在本发明实施例中，将修正后的多孔结构工件模型采用ANSYS、ABAQUS等软件再进行有限元分析，获得修正后的应力分布，并获取修正后最大米塞斯应力，当所述修正后最大米塞斯应力小于预先设定的阈值时，所述预先设定的阈值根据不同的材料以及材料的具体用途进行设置，当所述修正后最大米塞斯应力未达到要求时，重复修正和修正后有限元分析过程直至多孔工件模型的应力满足要求，获得应力分布最佳的多孔结构工件模型。

以下以具体的实施例进行进一步说明。

保持单元结构的尺寸不变，仅改变丝径的条件下，在在3-maticSTL 10.2软件上设计不同丝径的多孔钛合金压缩试样模型并通过3D打印的方式制备压缩试样，如图2所示，其中a、b、c、d对应的是丝径分别为200微米、250微米、300微米、350微米，均为菱形十二面体结构，压缩试样尺寸为φ5*15毫米圆柱试样。在万能力学机上对各诗洋进行压缩测试，测得的压缩性能如表1和图3所述，其中表1为不同丝径的压缩性能数据表，图3为不停丝径试样的压缩应力应变曲线。

表1不同丝径的压缩性能

丝径/μm	弹性模量/MPa	屈服强度/MPa	抗压强度/MPa
				200	255	5	10
250	1099	25	35
				300	2593	55	75
350	4162	97	125

对多孔钛合金髋关节填充块进行多孔结构的逆向优化：首先，在3-maticSTL 10.2软件上设计出250微米均匀丝径的多孔结构模型，如图4所示；在Abaqus/Standard 2018软件上，以表2所示条件下进行有限元分析，获得工件的应力分布云图，如图5所示。

表2有限元分析的主要参数

根据工件的受力分布情况，将工件划分为5个区域，使用3-maticSTL 10.2软件的Lightweights功能对工件的多孔结构部分的丝径进行调整，对应力最集中区域的丝径进行适当增大，应力最分散区域的丝径进行适当减小，如图6所示。经过逆向优化后的变丝径工件多孔结构模型如图7所示。将经过逆向优化后的变丝径工件多孔结构模型再次导入Abaqus/Standard 2018软件，在表2所示的同等条件下进行有限元分析，工件的应力分布云图如图7所示。

在逆向优化前，工件的设计体积为48.8mm³，最大米塞斯应力为291.6MPa，经逆向优化后，工件的设计体积为48.2mm³，最大米塞斯应力为232.6MPa，降幅达20.2％，且从受力云图上来看应力得到了明显的分散。可见，通过本方法对工件的多孔结构进行逆向优化，可以在不改变材料用量甚至减少材料用量的情况下，有效减少工件的应力集中，大幅提高工件的力学性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (4)

1.一种多孔结构设计的逆向优化方法，其特征在于，具体包括：

获取3D打印材料的力学性能参数，构建多孔结构材料设计基础数据库；

构建多孔结构的工件模型，并对所述工件模型进行网格划分，输入与所述多孔结构对应的材料属性参数，并进行有限元分析获取所述多孔结构的工件的应力分布；

根据所述多孔结构的工件的应力分布和所述基础数据库，对所述多孔结构的工件模型进行尺寸修正，获得修正多孔结构工件模型；

将所述修正多孔结构工件模型进行有限元分析，获取修正后的应力分布，获得应力分布最佳的多孔结构工件模型；

其中，所述基础数据库为不同丝径多孔材料对应的力学性能参数，所述力学性能参数包括：拉伸性能参数、压缩性能参数、弯曲性能参数和扭转性能参数；所述根据所述多孔结构的工件的应力分布和所述基础数据库，对所述多孔结构的工件模型进行尺寸修正，获得修正多孔结构工件模型步骤具体包括：

根据所述多孔结构的工件的应力分布，获取应力集中区域和分散区域的米塞斯应力值；

根据所述基础数据库中丝径与所述力学性能参数的对应关系，对所述多孔结构工件模型中的应力集中区域和应力分散区域进行丝径尺寸修正，获取修正多孔结构工件模型；

所述多孔结构为非规则形状多孔结构工件或定制式多孔结构工件。

2.根据权利要求1所述的多孔结构设计的逆向优化方法，其特征在于，所述材料属性参数包括：弹性属性参数、塑性属性参数，以及荷载与边界位移参数。

3.根据权利要求1所述的多孔结构设计的逆向优化方法，其特征在于，所述丝径修正过程中对不同丝径之间均匀过度。

4.根据权利要求1所述的多孔结构设计的逆向优化方法，其特征在于，所述将所述修正多孔结构工件模型进行有限元分析，获取修正后的应力分布，获得应力分布最佳的多孔结构工件模型步骤具体包括：

将所述修正多孔结构工件模型进行有限元分析，获取修正后的应力分布，并获取修正后最大米塞斯应力，当所述修正后最大米塞斯应力小于预先设定的阈值时，获得应力分布最佳的多孔结构工件模型。

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