[发明专利]一种基于TPMS可控孔隙结构设计方法

说明书

本发明公开了一种基于TPMS可控孔隙结构设计方法，针对植入器械相应综合力学性能与人体自身骨不匹配的问题，采用基于参数化TPMS的多孔结构设计方法，结合三向周期性极小曲面方法与基于组合逼近技术，来进一步实现结构—性能的关联映射，通过MMA算法对微孔结构形状及空间分布进行快速优化，实现植入体零件的综合力学性能与缺损骨组织的最佳匹配，实现植入体零件的结构的“控性”操作，达到“神似”效果。

技术领域

本发明涉及一种基于TPMS可控孔隙结构设计方法。

背景技术

下面的背景技术用于帮助读者理解本发明，而不能被认为是现有技术。

目前，随着工作压力的不断加大，广大年轻人、中老年人的脊椎、腰椎都出现一定的病变，后期严重起来都需要进行相应的手术治疗。目前针对手术治疗的腰椎椎间融合器设计尚且处于发展阶段，骨骼本身具有松质骨和皮质骨，所以需要针对腰椎椎间融合器设计相应符合人体组织所需的多孔结构来代替松质骨，使整体腰椎椎间融合器的力学性能满足人体所需，不会出现因为植入器械的弹性模量太大，导致“应力屏蔽”现象的发生。

传统的腰椎椎间融合器设计相对不够完善，多采用非TPMS曲面构建多孔结构，且孔隙率和力学性能都不能满足人体所需。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于TPMS可控孔隙结构设计方法，针对植入器械相应综合力学性能与人体自身骨不匹配的问题，采用基于参数化TPMS的多孔结构设计方法，结合三向周期性极小曲面方法与基于组合逼近技术，来进一步实现结构-性能的关联映射，通过MMA算法对微孔结构形状及空间分布进行快速优化，实现植入体零件的综合力学性能与缺损骨组织的最佳匹配，实现植入体零件的结构的“控性”操作，达到“神似”效果。

本发明提供一种基于TPMS可控孔隙结构设计方法，包括以下步骤：

步骤一，通过K3DSurf软件导出三向周期性极小化P曲面，导出.obj格式文件至Rhino 6.0软件中，再导出.stl格式文件，将.stl格式文件导入Geomagics Wrap中进行曲面偏移、加厚操作，得到TPMS微孔曲面单元和微观孔隙单元实体；

步骤二，采用POD模型对TPMS微孔曲面单元和微观孔隙单元实体降阶，获取密度分布基函数，得到结构参数与弹性张量之间的多项式关系，再基于组合逼近技术构建以结构柔顺度最小为目标函数的数学模型；

步骤三，利用MMA算法对数学模型优化求解；

步骤四，获得最优TPMS多孔可控孔隙结构实体，进行压缩分析和热应变分析，判断其是否适合实际应用场合，其应力是否满足要求，其在金属3D打印过程中的形变量的大小是否在可接受范围内。

优选的，数学模型为：

KU＝F

x_min≤x≤x_max

式中：

c(x)——目标函数；

x——设计变量(TPMS控制参数)；

U——位移场；

F——外力向量；

K——全局刚度矩阵；

u_e——每个单元位移量；

K_e——每个单元子刚度矩阵；

N——单元总数；

V(x)——给定材料总体积；

V₀——设计区域总体积；