[发明专利]变刚度可降解复合结构优化设计方法

说明书

本发明提供一种变刚度可降解复合结构优化设计方法，通过在时间维度对结构降解过程进行模拟，建立考虑材料降解的有限元模型，计算得到不同降解时间步下结构的力学性能，以不同时间步下结构性能的组合建立目标函数，实现适合于植入物力学要求的变刚度复合结构设计。设计的目的是通过优化两种具有不同可降解性能的材料分布形态，实现具有特定要求的变刚度复合结构设计。

技术领域

本发明涉及一种变刚度可降解复合结构优化设计方法，特别涉及一种考虑材料降解过程的复合结构拓扑优化方法。

背景技术

骨折愈合过程大致可分为两个阶段：骨愈合期(炎症期，约7天，骨迦形成期，约3-6个月)和骨重塑期(骨迦重塑为皮质骨，约数月至数年)。骨折愈合是一个复杂的生物力学过程，对内固定件的理想力学性能的要求为：在骨愈合期为了有效形成骨迦，需要良好的骨折复位刚度，此时植入物应具有较好的刚度特性，实现坚强固定；在骨重塑期为了达到对骨迦的有效力学刺激，实现骨重塑，内固定件的刚度应逐渐降低，使力流逐渐向骨迦转移，在骨折完全愈合之后，内固定装置的刚度接近零。

传统的由不锈钢、钛合金等惰性材料制成的内固定件，具有单一的力学特性，难以实现变刚度植入物设计，经常会引起应力遮挡效应，且需要二次手术进行移除，对患者负担较大。因此近些年来使用可降解材料设计的变刚度植入物在临床中得到了有效发展，但是目前的可降解金属通常具有单一的降解速率，难以适应不同骨折愈合阶段对内固定件的力学性能要求。因此，如何在满足特定生物力学特性要求的条件下，设计具有合理的变刚度特性的植入物结构具有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，提供一种变刚度可降解复合结构优化设计方法，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种变刚度可降解复合结构优化设计方法，用于对复合结构进行结构优化设计，其特征在于，该复合结构由至少两种具有不同刚度以及不同降解性能的材料组成，变刚度可降解复合结构优化设计方法包括如下步骤：步骤S1，按照特定要求，构造复合结构的初始几何模型；步骤S2，将初始几何模型划分为有限个相同单元e，建立复合结构的有限元模型，有限元模型至少包括设计变量x_e和残留率y_e，设计变量x_e用于描述材料的分布，残留率y_e用于描述材料的降解程度；步骤S3，分别计算各个单元e的降解率d_e；步骤S4，基于降解率d_e以及单元e的相邻单元的降解率，分别计算各个单元e的残留率y_e；步骤S5，基于有限元模型以及残留率y_e，进行有限元分析，分析不同时间步下复合结构的结构性能；步骤S6，对设计变量x_e进行针对降解时间t_i的灵敏度分析；步骤S7，重复步骤S3至S5，直至达到指定时间步；步骤S8，根据预定目标函数J，使用移动渐近线算法更新有限元模型中的设计变量x_e；步骤S9，使用更新后的设计变量x_e重新计算目标函数J；步骤S10，判断是否满足预定的终止条件，当不满足时，重复步骤S3至S9，当满足终止条件时，则停止迭代，得到最终的设计变量x_e，并根据该设计变量x_e来设计复合结构。

其中，复合结构在结构优化设计过程中的优化数学模型为：

find:X(x_e)

min:

s.t.:K(x,y,t)U＝F

v₁(x_e)≤fv₀

0x_min≤x_e≤1,e＝1,2,...,m