TC4钛合金负泊松比人工骨微结构的力学性能匹配研究

金属人工骨植入体的设计以正泊松比多孔结构为主，而少有针对超材料负泊松比多孔结构的设计研究。本文设计不同变形机理、不同孔隙率下的负泊松比多孔骨结构材料，借助选区激光融化成型技术制备医用Ti6Al4V负泊松比多孔植入物样件，进行微观材料表征和可制造性评测，以及通过压缩试验揭示强度、弹性模量等力学性能与胞元结构类型、结构参数间的影响规律，评测不同结构与人骨力学性能的匹配程度。结果表明：各结构都具有较高的可制造性，成型质量与结构特征和孔隙率相关；负泊松比结构力学性能高度依赖于结构设计及孔隙率；所设计的负泊松比结构通过改变支柱直径能够将实体金属弹性模量降低至与人体骨骼相近的范围内，并有望通过调整结构参数进一步实现植入体力学性能的广跨度调控。     

基于正交试验的应变片敏感栅结构参数的优化

电阻应变片作为电阻应变式传感器的重要组成部分,其结构参数对传感器的测量精度影响较大。基于正交试验法设计试验方案,建立等强度梁、基底、敏感栅的三维模型,采用ANSYS有限元软件进行模拟分析,研究电阻应变片敏感栅结构参数对传感器应变传递误差的影响。结果表明:应变片敏感栅的弹性模量和栅丝厚度越小,栅丝长度越长,误差越小,栅丝间距存在最优值;栅丝长度对应变传递误差的影响最大,栅丝间距最小;当敏感栅材料为康铜,栅丝厚度0.003 mm,栅丝长度4 mm,栅丝间距0.28 mm,应变传递误差达到最小为0.19%,研究结果对传感器和电阻应变片的设计具有理论指导意义。     

电阻应变片敏感栅结构参数对应变传递的影响研究

针对电阻应变片引起的电阻应变式传感器应变传递误差问题,对不同的电阻应变片敏感栅结构参数进行了研究。建立了传感器弹性体(等强度梁)、基底、敏感栅和覆盖层的三维模型,利用ANSYS有限元软件,采用设置接触的方式将传感器弹性体与应变片粘贴在一起,分析对比了不同敏感栅材料、厚度、栅丝长宽比和栅丝间距时应变片应变分布情况,确定了传感器应变传递误差的影响因素。研究结果表明:敏感栅材料弹性模量越小、厚度越薄和栅丝长宽比越大,应变过渡区和应变传递误差越小,越有利于应变传递,越能准确反映弹性体变形;敏感栅栅丝间距存在最优值。研究结果给出了各结构参数下的相对误差,为传感器电阻应变片的结构设计和应变片的选择提供了依据。     

SCS-100TU型电子汽车衡秤体结构优化

针对目前汽车衡秤体结构材料利用率低、质量大的问题,将结构优化设计的方法引入到秤体结构设计中。以U型梁和秤台的几何尺寸为设计变量,秤体的最大挠度为约束条件,秤体整体质量为目标函数,利用参数化APDL语言建立了秤体结构的有限元优化模型,对秤体结构进行了优化分析,从而确定了U型梁和秤台的几何尺寸。研究结果表明,在满足秤体刚度和强度设计要求的前提下,秤体结构优化后的质量比原来的降低了6.7%,实现了降低秤体结构质量的目的,提高了材料利用率。     

TC4负泊松比复合结构的人工骨力学性能调控研究

目的 基于不同变形机制的负泊松比结构优化设计新型复合多孔结构样件,增加力学性能的调控维度,以满足人体骨低弹性模量的匹配要求。方法 用内凹多边形替代手性结构的圆环,以获得新型的复合胞元结构。利用选区激光熔化成形技术制备负泊松比多孔人工骨样件,通过压缩实验揭示胞元结构类型、结构参数、孔隙率对屈服强度、弹性模量的影响规律,评测不同结构样件与人体骨间的力学性能匹配程度。结果 当孔隙率为65%~85%时,复合结构样件的成形质量、力学性能基本介于手性结构的和内凹结构的之间,且与孔隙率密切相关。手性结构、内凹结构和复合结构的弹性模量分别为2.39~4.64、1.12~3.77、1.01~3.47 GPa,屈服强度分别为65.19~223.06、45.25~195.81、26.54~143.58 MPa。复合结构的弹性模量随环径和内凹角度的增大而减小。当孔隙率为75%时,环径由2.4 mm变至2.0 mm,弹性模量由2.651 GPa降低至2.082 GPa。当内凹角度由85°变至65°时,弹性模量则由3.566 GPa降低至1.982 GPa。结论 复合胞元结构可以融合材料特性,增加调控维度,进而匹配人工骨结构的低弹性模量要求。     

基于SLM的梯度多孔牙种植体力学特性

目的 确定既满足强度要求又能够有良好长期稳定性的梯度多孔牙种植体最佳孔隙值。方法 设计4组不同孔隙率(G30、G40、G50、G60)的梯度多孔结构样件及均质多孔样件S30,选区激光熔化(SLM)成型后通过准静态压缩试验对其力学性能进行研究,测量出样件的弹性模量和屈服强度。通过有限元分析评估不同孔隙率种植体及对应下颌骨组织的应力分布。结果 相较于实体钛合金结构(110 GPa),多孔结构的弹性模量(13.47~15.88 GPa)已完全符合人体自然骨组织(2~20 GPa)范围,多孔结构屈服强度(484.81~834.47 MPa)远高于皮质骨(180.5~211.7 MPa);梯度多孔结构样件弹性模量相较于均质多孔结构略有提升,屈服强度(834.47 MPa)比均质多孔结构样件(730.56 MPa)提高了约14%。梯度多孔种植体周围皮质骨最大等效应力值分布在43.362 9~45.015 4 MPa之间,松质骨最大等效应力值分布在4.756 58~ 5.055 6 MPa之间,完全满足2~60 MPa范围内的最大应力,适合骨组织生长。种植体与下颌骨之间的应力差值随着孔隙率的增大而逐渐变大,孔隙率为30%的TPMS–G型梯度多孔牙种植体与下颌骨应力差值最小,生物力学特性最佳,有利于形成稳定的骨整合。结论 通过试验及仿真模拟,确定了适用于种植体的最佳梯度多孔结构,既满足强度要求,又具有良好的长期稳定性。     

组合式负荷传感器旋转效应的研究

针对寄生分量会引起非完全轴对称结构的负荷传感器发生旋转效应,采用有限元模拟和试验分析,研究了有、无均力结构的组合式负荷传感器在不同寄生分量下力传感器所受附加侧向力的变化规律与旋转效应的关系.研究结果表明:均力结构能使组合式负荷传感器的力传感器所受附加侧向力明显下降并趋于平均,从而有效地降低了旋转效应;力传感器所受附加侧向力的波动量可用于预测同一试验力级下组合式负荷传感器旋转效应的大小,为提高测量准确度提供评定依据;试验数据验证了有限元模型的可靠性.     

SLM成型316L体心立方点阵结构力学性能优化

为获得选区激光熔化成型力学性能更为优异的体心立方点阵结构模型，综合考虑多种结构参数的交互作用，通过响应曲面法分析了单胞杆径、杆长和杆倾斜角度等结构参数对点阵结构力学性能的影响。建立了结构参数与抗压强度及弹性模量关系的数学模型，进而优化得到最佳结构参数并进行试验验证。结果表明，单胞杆径对力学性能影响最大，随着单胞杆径的增大，点阵结构抗压强度与弹性模量增大，抗压强度最大为241.86 MPa,弹性模量最大为4.384 GPa。优化得到最佳结构参数为杆径Φ1.5 mm、杆长3 mm、杆倾斜角度60°,测得抗压强度为341.129 MPa,弹性模量为5.535 GPa,与优化前相比，抗压强度提高了41.044%,弹性模量提高了26.255%。与预测值相比，抗压强度与弹性模量的误差分别为2.194%和3.082%,两者相差很小，力学性能得到一定的提升。     

焊接绝热气瓶定期检验与评定问题

对焊接绝热气瓶的蒸发率和漏热量检测以及内胆材料的热冲击损伤进行试验研究,开发了焊接绝热气瓶绝热性能自动检测与信息系统.     

基于SIMP理论的衡器载荷测量仪悬臂梁拓扑优化研究

针对高精度衡器载荷测量仪反力机构的悬臂梁质量较大的问题,对高精度衡器载荷测量仪的工作原理、悬臂梁加工工艺和拓扑优化方法进行了研究。利用ANSYS对优化前的反力机构进行了静力学分析,基于固体各向同性材料(SIMP)理论对悬臂梁进行了拓扑优化设计,建立了悬臂梁拓扑优化数学模型,运用优化准则法更新了设计变量,求解了位移约束下悬臂梁体积最小的拓扑结构;利用Tosca Structure对建立的数学模型进行了求解,得到了满足设计要求的悬臂梁结构,最后对优化后的悬臂梁进行了静力学分析,并与优化前的分析结果进行了对比。研究结果表明,优化后悬臂梁减重19.8%,悬臂梁结构满足强度要求;且悬臂梁竖直方向最大位移量为4.796 91 mm,可以保证高精度衡器载荷测量仪检定的准确度,由此验证了新悬臂梁结构的可行性。