[发明专利]梯度骨骼植入体结构的设计方法、装置、设备及存储介质

权利要求书

1.一种梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，包括：

S101，通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，制备不同类型的梯度晶格结构；

S102，通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能；

S103，根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；

S104，根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设计梯度骨骼植入体结构。

2.根据权利要求1所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，步骤S101中，所述梯度晶格结构采用尺寸为3mm×3mm×3mm的正方体为胞元结构，整个梯度晶格结构由8个胞元结构沿每个坐标方向(x、y、z)重复排列组成，总尺寸为20mm×20mm×20mm；且沿着制造方向，每个梯度晶格结构的底部设置有尺寸为20mm×20mm×2mm的底板。

3.根据权利要求1所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，所述梯度晶格结构包括均匀梯度的U型结构、密度梯度垂直于加载方向的G1型结构以及密度梯度沿加载方向的G2型结构。

4.根据权利要求1所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，在使用有限元分析时，基于软件模拟受压力载荷作用下所述梯度晶格结构表面的应力分布；其中：

将316L不锈钢的弹性模量187GPa，泊松比0.3设置成所述梯度晶格结构的弹性特性，力学工况为正方体的一个顶点受到沿Z轴向下的压力，与该顶点对角线相对应的顶点的位移被完全约束；

优化目标为正方体的相对密度，设置为0.20-0.50；优化后的模型输出为.STL格式的模型群，通过Magics商业软件，对模型进行平滑化修复，并通过镜像操作，将8个胞元结构堆叠成一个完整的单元点阵结构；最后，在xyz三个方向上各堆叠6个单元点阵结构，形成一个完整的点阵结构模型，个数为6×6×6个。

5.根据权利要求1所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，步骤S102中，

在压缩试验前，在30kV条件下，通过扫描电子显微镜观察梯度晶格结构的表面形貌；

压缩试验采用电子万能试验机，在室温下，根据标准ISO 13314，通过相应的数据绘制和计算梯度晶格结构的应力-应变曲线、力学性能和能量吸收性能；试验过程中由数字视频记录得到试样的详细变形图像，之后将部分断裂支柱打磨，浸入腐蚀溶液一定时间后后取出；

最后，用扫描电镜设备对断裂支柱的微观结构进行了表征，使用X射线衍射仪通过X射线衍射进行相鉴定。

6.根据权利要求2所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法，其特征在于，步骤S103中：

结合U型结构的力学特性，建立G型结构相应的预测模型；所述预测模型采用经典的Kelvin-Voigt模型。

7.一种梯度骨骼植入体结构的设计装置，其特征在于，包括：

制备单元，用于通过拓扑优化和激光选区熔化成型技术，根据预设的参数制备不同类型的梯度晶格结构；

分析单元，用于通过压缩试验和有限元分析获得不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能；

模型建立单元，用于根据不同类型的梯度晶格结构的力学性能、失效形式和能量吸收性能，建立用于预测出梯度晶格结构的力学性能以及失效机制的预测模型；

设计单元，用于根据设定的设计目标以及预测模型设计梯度晶格结构，并据此设计梯度骨骼植入体结构。

8.一种梯度骨骼植入体结构的设计设备，其特征在于，包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如权利要求1至6任意一项所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述计算机可读存储介质所在设备的处理器执行，以实现如权利要求1至6任意一项所述的梯度骨骼植入体结构的设计方法。