基于体素模型的多孔结构骨支架快速建模

为解决组织工程骨支架多孔结构设计建模问题,提出1种基于体素模型的多孔体骨支架建模方法。基于CT断层扫描图像,采用MC算法3维重建骨支架三角网格模型;采用分区划分,逆向追踪求交分层算法,获取骨支架分层截面轮廓线段;基于离散采样法,对分层截面轮廓线段等距扫描线填充、离散,生成骨支架体素化模型;构建孔隙单元结构,以体素化空间为约束边界,通过孔隙单元"映射",构建出多孔骨支架模型。研究结果表明,所提算法可以快速构建出能够构建孔隙结构可控的多孔模型,从而为骨支架建模提供了1种可行性的方法。     

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。     

基于TPMS的多孔结构力学性能研究

为探究不同TPMS孔隙结构对多孔支架力学性能的影响,采用隐函数表达的TPMS作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数构建不同结构特征的TPMS多孔支架,并应用SLM制备了 AlSi10Mg多孔支架;采用有限元法分析和力学试验方法,研究不同孔隙结构特征对多孔TPMS支架力学性能的影响,分析不同距离函数k值对P...     

人工骨支架结构的单元设计及分析

为了得到与骨小梁功能类似的结构,使用三周期极小曲面来设计组织支架。首先分析三维周期性极小曲面的结构特征,由于其空隙率可控且孔与孔之间相互连通,非常适合作为支架结构的造型单元;其次重点研究了函数值与单元的体积分数、空隙率的关系,以及单元的拓扑连通规律;然后根据距离场设计保持单元拓扑的人工单元,研究表明人工单元能得到更高空隙率的支架;最后分析P单元和人工单元的弹性变形过程,并求得单元的杨氏模量,为支架的结构设计提供理论指导。     

基于TPMS建模方法进行仿生骨支架结构设计

为了更好地拟合出人体骨细胞生存生长的多孔曲面环境,采用基于函数的极小三周期曲面(TPMS)建模方法,来进行仿生骨支架结构的设计。采用这种方法,能够通过调整函数的相关参数,实现对仿生骨支架孔径大小以及孔隙率大小的精准控制。选取了TPMS结构中的一种P曲面结构,通过与人体真实骨组织结构单元孔径大小以及孔隙率大小进行比对,选定了P曲面结构的参数值u,并确定了仿生骨支架合理的单元尺寸,最后通过有限元仿真软件对模型进行了力学分析及评估,结果表明,设计的支架结构具有更匹配人体骨结构的力学性能,对指导构建人工骨支架结构具有重要意义。     

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。     

面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化

多孔结构具有轻质、散热快等特点,在航空航天、信息电子等领域应用广泛,提出了一种面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化方法。在微观尺度,采用水平集函数描述三周期极小曲面点阵的几何构型,构建了Kriging元模型,预测点阵的宏观等效热学属性,从而降低计算成本;在宏观尺度,以最小散热柔度为目标,建立了多孔结构的多尺度拓扑优化模型,引入等几何分析提高了结构性能分析的计算精度,结合等几何映射技术开展了非规则几何结构的多尺度拓扑优化设计,避免了非规则设计域中点阵裁剪导致的几何特征缺损等问题;最后,通过数值算例验证了所提出方法的有效性。结果表明,提出方法可实现非规则几何结构的散热性能优化设计,优化得到的轻质梯度多孔结构具有较好的散热性能,在实际工程中具有广阔的应用前景。     

基于形函数控制的组织工程骨架孔隙结构实体建模方法

组织工程支架在组织工程研究中起着重要作用,它不仅为特定的细胞提供结构支撑作用,而且能引导组织再生和控制组织结构。从几何建模的角度,寻找一种通用的组织工程骨架实体建模方法：采用有限元中六面体单元对实体模型进行网格剖分;利用有限元中的八结点六面体形函数将参数域中的基本孔隙单元映射为空间域中各种不规则孔隙几何单元。利用布尔并运算构建实体的造孔单元。再与整个实体轮廓模型(CT/MRI)进行逻辑差运算,就可以得到组织工程骨架模型。研究表明：通过有限元单元剖分方法,有效地解决了组织工程骨架孔隙体元的分布计算等技术问题,相对随机几何方法,具有很好的技术操作性和高效性。通过剖分单元约束和孔隙体元变形构型方法的应用,可大大提高骨组织孔隙形状的自然性。     

梯度空心多孔结构优化设计方法

针对空心多孔结构参数化建模困难、承载性能不足的问题,提出了一种梯度空心多孔结构优化设计方法。将不同水平参数的I-WP（I-wrapped package）型三周期极小曲面进行布尔运算实现了空心多孔结构单胞的隐式建模,并基于数值均匀化法对该结构的等效弹性属性进行了评估。通过引入凸优化理论的仿射概念,构造混合水平集函数,实现了梯度空心多孔结构的参数化建模;以刚度最大化为目标函数,建立了基于混合水平集方法的梯度空心多孔结构拓扑优化模型,通过优化准则算法进行求解,得到了具有良好连续性的梯度多孔结构。对优化结构进行了有限元分析,并采用选择性激光烧结技术制造了模型样件,开展了力学实验。数值案例和实验结果表明,该方法可有效实现空心多孔结构的参数化设计,显著提高了多孔结构的承载性能。     

复合材料支架的仿生界面设计与有限元优化方法

研究光固化成形复合材料支架的材料界面分层问题。以关节软骨下骨板为仿生对象,提出骨软骨复合材料支架的界面结构仿生设计与优化方法。在构建关节软骨下骨板表面孔隙结构模型(面孔隙率为6.7±0.71%,孔隙分布夹角为40°~50°或80°~90°)的基础上,建立PEGDA/β-TCP软骨复合支架的仿生界面结构模型和有限元分析模型。结合多目标优化方法确定影响骨体孔隙成形性及其与软骨层分层的关键参数为孔隙直径、结构单元(三边形、四边形、六边形)、孔隙间距(边长)、面孔隙率;确定具有四边形结构单元,面孔隙率为5%~15%,孔隙尺寸为不小于400μm的界面结构具有良好的骨体孔隙结构成形性和较好的界面材料结合能力。该方法为复合材料支架仿生结构设计与制造一体化的研究提供新的评估与预测手段。     

Gyroid结构力学性能及数值收敛性研究

为了更好地揭示三周期极小曲面（TPMS）结构设计与力学性能参数之间的对应关系,研究了螺旋二十四面体Gyroid结构（GCS）不同网格参数的数值收敛性和不同排列方式的力学性能。设计了体积分数和胞元尺寸固定的GCS试件;基于单元参数变化的体素化模型,使用有限元方法对GCS进行收敛性分析;通过试件拉伸试验验证了仿真的正确性;最后以拉伸和弯曲工况研究了GCS在不同排列形式时的力学性能差异。研究结果表明：仿真分析与试验之间的抗拉强度、极限载荷误差在1.5%以内;基于体素化方法,调整雅可比参数值可显著降低收敛时的单元数量。对变厚度GCS力学性能做了定量分析,拉伸工况中,针对4×4×4结构,其等效弹性模量沿厚度方向变化最大可达14.41%;弯曲工况中,针对20×4×4结构,等效弹性模量最大差距为21.25%。     

基于骨组织微结构模型的仿生支架逆向设计

模拟人体骨组织结构,满足其几何相容性与生物适应性功能约束要求的多孔骨支架微观结构构建为组织工程中的关键问题。提出一种模拟人体骨组织多孔微观结构来构建仿生支架的逆向设计方法。利用Micro-CT扫描人体胫骨的微观结构,发现其孔的形态与椭球接近。为寻找人体骨结构的分布规律,利用椭圆最小二乘法拟合人体骨的Micro-CT图像,结果表明人体胫骨的微孔短径和长径的值分别分布在0.24mm和0.48mm附近。为使设计的多孔骨支架具有良好的生物和力学性能,将所得胫骨孔径参数创建椭球体,并通过UG二次开发技术将大量的椭球体相交形成仿生支架。研究所得的仿生支架采用人体骨结构参数,在生物和力学性能上与骨结构更为接近,对骨组织工程中的骨支架设计有一定的参考价值。     

组织工程支架三维结构点单元数据建模

组织工程支架所用材料和呈现结构是影响其性能的关键因素。以包含材料成分信息的点单元堆积所建立的三维离散模型,可以同时记录支架的几何结构信息和材料成分信息,为使用快速成形方法与数字微滴喷射技术制造具有更高精确的结构梯度和材料梯度的组织工程支架提供了数字模型。材料点单元堆积造型方法主要是基于模型分解的方式,将具有材料梯度和结构梯度的三维实体分割成一系列单元空间并制定单元值。主要分以下几个步骤：单元划分,所用单元形式、确定单元划分密度的法则;单元值量化方式以及量化值、从能量的角度进行局部误差分析。在理论研究的基础上,通过Matlab语言编写了功能强大的点单元数据建模软件,并应用该软件提供人体大段骨和颅部的点单元模型,从而证明此种方法的可行性。     

面向3D打印可变模量金属假体的微结构设计

为了解决假体与骨的弹性模量存在较大差异而造成应力遮挡的问题,基于3D打印在制造多孔微结构的优势,将假体设计为多孔结构能有效降低模量,缓解应力遮挡。但是,如何优化微结构几何参数以实现假体模量的最佳匹配仍然没有得到解决。因此,提出了一种面向3D打印的可变模量金属假体的微结构设计方法,旨在获得与宿主骨模量相匹配又具有可加工性的生物型假体。针对体心立方单元(BCC)和增强体心立方单元(RBCC),采用有限元法计算了两种多孔单元沿轴向、面对角线和体对角线方向的弹性模量,建立了单元弹性模量与支柱直径的函数关系,分析了单元各向异性随支柱直径变化的规律,研究了棱边直径和单元尺寸对单元弹性模量的影响。结果表明:在加工精度范围内,通过减小支柱直径能实现单元等效弹性模量与骨模量一致性要求;在各向同性上BCC单元要优于RBCC单元,而且增大棱边直径有助于提高单元各向同性;由于BCC单元能实现相邻不同模量的单元界面连续拼接,故选用BCC单元构建模量可调的假体,可变模量范围为15.9~100 GPa。该设计方法可用于构建具有模量梯度结构的生物假体,以实现关节应力最优分布。     

TC4钛合金仿生骨植入体单元结构力学性能分析

为解决钛合金骨仿生骨植入体弹性模量与人骨弹性模量不匹配的问题,采用多孔结构的钛合金骨植入体使其与自体骨的力学性能相适应。根据骨骼部位密度不同力学参数不同的特点,设计了开口杆状单元、开口柱状单元、中心球单元的微孔单元结构,并在不同的结构尺寸下得到11种模型。对这11种模型进行静力学仿真,得到受轴向压缩载荷时骨植入体结构的最大等效应力和应变分布,以及弹性模量数据;采用SLM技术将TC4钛合金粉末加工成试样,做压缩和三点弯曲试验。结果表明,开口杆状单元适用于具有较高的弹性模量抗弯强度的骨骼重建,开口柱状单元适用于弹性模量范围较大的骨骼重建,而中心球单元适合弹性模量较低且变化范围较小的骨骼重建。     

仿生支架微孔结构CAD设计方法

采用CAD软件设计是一种简单易行的获得具有内部微孔结构的仿生支架模型的方法,该方法通过CAD软件设计单元模型,然后将单元结构在空间排列构造作为负型的内部微孔结构,最后将负型结构与仿生支架外部模型进行布尔减运算,得到既保证外部轮廓特征同时包含内部微孔的仿生支架CAD模型。球形和正十二面体结构是两种常用单元形式,通过调整单元参数可以控制仿生支架内部微孔大小、形状及空间排列方式,最终实现提高仿生支架的孔隙率和内部微孔的导通性的目的。     

仿生骨支架微观孔结构的构建与评价

在分析人体骨微观孔结构和影响支架性能因素的基础上,提出仿生骨支架微观孔结构的构建与评价方法。基于多约束背包问题模型的结构,以椭球体作为构建微观孔结构负模型的单元体,利用混合遗传算法求解微观孔结构的负模型;并将孔隙率和连通性作为约束条件,以保证仿生骨支架具有生物活性。通过不含微观孔的支架模型与负模型之间的布尔运算,构建含有微观孔结构的仿生骨支架模型。以支架的孔隙率、孔间的连通性、孔分布的均匀性、孔道的扭曲度和支架的比表面积作为评价指标,建立仿生骨支架微观孔结构的评价体系。基于支架微观孔结构的负模型,提出支架的孔隙率、连通性、均匀性、扭曲度和比表面积的计算方法,以实现对仿生骨支架微观孔结构的评价与优化。通过上述方法构建的仿生骨支架具有良好的生物活性、较好的力学性能以及均衡的降解速度。     

仿皮肤三维多孔点阵结构压缩吸能性能研究

基于DLP数字光处理(Digital light processing,DLP) 3D打印技术,制造出具有规则多孔特点的三维多孔点阵结构,以使其具有较宽压缩应力平台的特点.研究和设计了3种单元网格构型细胞,并由此组合成不同的规则多孔点阵结构,采用特定配比方式的光固型柔性树脂材料制造成型;根据仿生设计原理,分析皮肤纵切面结构特点,基于试验数据并结合皮肤结构,找到最优三维多孔结构,以获得良好的压缩应力平台;该三维多孔结构具有规则可控的优势,并结合适当的软质材料,表现出了良好的机械性能.该研究成果具有较为广阔的发展空间,其结构可用于组织工程皮肤体外构件技术中的三维支架材料,也可作为振动和能量吸收领域的优质缓冲或阻尼材料.     

基于非概率可靠性的连续体结构拓扑优化设计

研究区间参数的连续体结构在区间载荷作用下的拓扑优化设计问题.构建区间载荷作用下区间参数连续体结构的拓扑优化设计数学模型,以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总质量均值极小化为目标函数,满足单元区间应力非概率可靠性为约束条件.基于区间因子法,导出应力响应的均值和离差的计算表达式.采用双方向渐进结构优化(bi-directional evolutionary structural optimization, BESO)的求解策略与方法.通过两个算例验证文中模型及求解策略与方法的合理性和方法的有效性.     

基于局部相对密度映射的变密度多孔结构设计方法

针对变密度多孔结构设计依据的拓扑优化密度信息不能被充分有效利用的问题,提出一种基于拓扑优化局部相对密度映射的变密度多孔结构设计方法。该方法根据多孔结构力学特点建立等效连续体的拓扑优化模型,通过拓扑优化密度的局部映射策略和调整方法,将拓扑优化的密度信息映射到多孔结构单元并根据映射的相对密度生成变密度多孔结构。此外,为检验多孔结构与拓扑优化密度信息的匹配程度,提出一种基于体素化和矩阵相似度的分析评价方法。最后以不同尺度的二维蜂窝为案例,验证了所提变密度多孔结构设计方法的可行性和有效性。