[發明專利]變剛度可降解復合結構優化設計方法

在審

• 申請號: 202110771883.6
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN114329800A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 張橫;丁曉紅;徐世鵬
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/10;G06F111/04;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

本發明提供一種變剛度可降解復合結構優化設計方法，通過在時間維度對結構降解過程進行模擬，建立考慮材料降解的有限元模型，計算得到不同降解時間步下結構的力學性能，以不同時間步下結構性能的組合建立目標函數，實現適合于植入物力學要求的變剛度復合結構設計。設計的目的是通過優化兩種具有不同可降解性能的材料分布形態，實現具有特定要求的變剛度復合結構設計。

技術領域

本發明涉及一種變剛度可降解復合結構優化設計方法，特別涉及一種考慮材料降解過程的復合結構拓撲優化方法。

背景技術

骨折愈合過程大致可分為兩個階段：骨愈合期(炎癥期，約7天，骨迦形成期，約3-6個月)和骨重塑期(骨迦重塑為皮質骨，約數月至數年)。骨折愈合是一個復雜的生物力學過程，對內固定件的理想力學性能的要求為：在骨愈合期為了有效形成骨迦，需要良好的骨折復位剛度，此時植入物應具有較好的剛度特性，實現堅強固定；在骨重塑期為了達到對骨迦的有效力學刺激，實現骨重塑，內固定件的剛度應逐漸降低，使力流逐漸向骨迦轉移，在骨折完全愈合之后，內固定裝置的剛度接近零。

傳統的由不銹鋼、鈦合金等惰性材料制成的內固定件，具有單一的力學特性，難以實現變剛度植入物設計，經常會引起應力遮擋效應，且需要二次手術進行移除，對患者負擔較大。因此近些年來使用可降解材料設計的變剛度植入物在臨床中得到了有效發展，但是目前的可降解金屬通常具有單一的降解速率，難以適應不同骨折愈合階段對內固定件的力學性能要求。因此，如何在滿足特定生物力學特性要求的條件下，設計具有合理的變剛度特性的植入物結構具有重要意義。

發明內容

為解決上述問題，提供一種變剛度可降解復合結構優化設計方法，本發明采用了如下技術方案：

本發明提供了一種變剛度可降解復合結構優化設計方法，用于對復合結構進行結構優化設計，其特征在于，該復合結構由至少兩種具有不同剛度以及不同降解性能的材料組成，變剛度可降解復合結構優化設計方法包括如下步驟：步驟S1，按照特定要求，構造復合結構的初始幾何模型；步驟S2，將初始幾何模型劃分為有限個相同單元e，建立復合結構的有限元模型，有限元模型至少包括設計變量x_e和殘留率y_e，設計變量x_e用于描述材料的分布，殘留率y_e用于描述材料的降解程度；步驟S3，分別計算各個單元e的降解率d_e；步驟S4，基于降解率d_e以及單元e的相鄰單元的降解率，分別計算各個單元e的殘留率y_e；步驟S5，基于有限元模型以及殘留率y_e，進行有限元分析，分析不同時間步下復合結構的結構性能；步驟S6，對設計變量x_e進行針對降解時間t_i的靈敏度分析；步驟S7，重復步驟S3至S5，直至達到指定時間步；步驟S8，根據預定目標函數J，使用移動漸近線算法更新有限元模型中的設計變量x_e；步驟S9，使用更新后的設計變量x_e重新計算目標函數J；步驟S10，判斷是否滿足預定的終止條件，當不滿足時，重復步驟S3至S9，當滿足終止條件時，則停止迭代，得到最終的設計變量x_e，并根據該設計變量x_e來設計復合結構。

其中，復合結構在結構優化設計過程中的優化數學模型為：

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