[发明专利]多孔材料单元网格结构的拓扑优化设计方法

说明书

本发明提供了多孔材料单元网格结构的拓扑优化设计方法，通过这种网格结构材料能在降低弹性模量的基础上保证网格的力学性能。先应用ansys软件里的拓扑优化模块topological opt，设置好材料属性、弹性模量及体积分数，然后根据模块分析得出的密度云图，在三维画图软件SolidWorks上进行模型重建。对已经建好的拓扑优化模型以经过受力方向的表面B为基准面，进行一次镜像处理得到表面A，然后再依次以表面A和表面B为基准面进行镜像处理后，单元网格结构呈现最后单元图形，将其导入至magics软件的网格模型作为单元网格用于制造多种外形和尺寸不一的各种多孔网格产品。本发明提供的网格结构在工业轻量化设计及医疗个性化植入体等领域都有很大的发展应用前景。

技术领域

本发明设计可自由调节弹性模量且拥有最佳的优化结构的多孔材料单元网格结构，属于生物医疗领域。

背景技术

医用金属植入材料是用以替代或者修复人体正常组织并行使其生理功能的材料，通常需要满足以下的几点性能要求：1.生物相容性；2.优良的机械性能；3.低弹性模量，4耐蚀性和耐磨性。长期以来，医用金属植入材料主要有不锈钢、CoCr合金、Ti基合金等。医用金属植入体在临床上得到应用源于Branemark先生在1952-1965年间发现的骨整合理论，他这样表述：“表达骨骼组织与无机的、异质成型材料间产生直接生长接触的现象”。这个发现使得在1965年首个纯钛移植体--Branemark牙根种植体--的出现(瑞典，哥德堡大学)。Branemark种植体也是现在国际上公认的最好的牙根种植体。

不过这种全实心的种植体并非十全十美，主要原因在于其弹性模量无法与人体骨骼相匹配。钛相对其他生物金属材料而言具有最低的实体弹性模量(110GPa)，但与人体骨质弹性模量(<30GPa)仍是存在巨大差距。根据wolff定律，当金属植入体的硬度比骨更硬时，负载将会落在植入体上，从而减小了其周围骨骼上的负载造成“应力屏蔽”现象--因为压力减小而弱化骨骼的现象。这会造成植入体的松弛，更甚者，导致移植失败。另者，植入体还有可能挤压和预压效应对骨骼产生更大的压力，从而导致骨坏死。

多孔材料是一类具有周期性排列孔隙的材料，与实体材料相比，这些特殊的多孔结构材料具有一些独特的性能：可任意根据其孔隙率调节弹性特性(弹性模量和泊松比)，优良的综合力学性能(主要是强度和刚度)等等。与此同时，人体硬组织也有着复杂的显微多孔结构。按其孔隙度和弹性模量的大小可分为致密骨和松质骨。从表面上看，骨质很像是实心固体。但大多数骨质都是由致密骨质的外壳裹着多孔网状骨质的芯部组成。这样的多孔结构有利于人体新骨组织的长入以及营养物质的输送。因此，具有良好生物相容性的多孔结构植入材料便成为了研究热点。

传统制备金属材料多孔结构的方法大体可分为四大类，1、从液体金属开始进行制作，如熔体发泡法、熔铸法等；2，从固态金属粉末进行制作，如金属粉末烧结、气体夹带法等；3，电沉积法；4，气相沉积法。这些方法都能够成功在材料内部形成孔洞，但其性能要求无法预测，而且孔隙率大小和形貌不能自由进行设计或者结构调整，制造具有一定的盲目性，缺乏行之有效的设计理念。近几十年来，随着快速成型技术的迅猛发展，制造结构复杂零件且具备内孔结构的能力大大提高，L.E.Murr等应用电子束选区熔化技术对多种网格结构进行了设计和制造，如十字架型，菱形二十四面体等等，其结构性能往往都大同小异，直接制造特定结构虽然相对传统的发泡法等制造的结构更加的具有目的性，但结构本身性能的优劣没有理念的预测和认知。A.Bandyopadhyay作了许多关于弹性模量与孔隙度本身具体关系的研究，他利用快速成型的LEAN技术制作了孔隙度从35％-95％的一系列TiNi多孔支架结构材料，发现符合人体密质骨弹性模量(10G-25GPa)的孔隙约在40％-80％之间，但结构的力学强度等性能上不能给出满意的结果。

随着优化算法和计算机科学的迅速发展，结构优化，特别是结构拓扑优化方法的研究和应用得到了巨大的发展。拓扑优化设计旨在通过对结构的尺寸、形状及拓扑等参数进行合理的调整，使得调整后的结构能够在满足强度、刚度、稳定性以及其它一种或多种设计要求的前提下，指定的目标性能达到最优，比如重量最轻、造价最低等。