基于形函数的人工骨支架仿生建模技术研究

人工骨支架在骨仿生研究中起重要作用,它不仅能代替缺损骨支撑人体,而且能够引导组织再生、增殖和功能发挥。以有限元形函数映射理论与布尔运算为基础,利用UG二次开发工具UG/Open GRIP,提出了一种仿形精度较高,通用性较强的支架建模方法:首先利用映射法将骨实体模型进行六面体网格划分,然后通过每个六面体的八个节点把规则的单元微结构负型映射得到相应的子单元负型,每个完整的子单元负型进行布尔并运算得到微孔结构负型,即内部微结构模型,最后通过骨实体外形与微结构负型进行布尔差运算获得仿形支架。以人体承力骨为研究对象,研究表明:通过有限元单元的剖分和约束方法,能高效随机地获得更自然的支架模型。     

仿生支架力学性能测试与分析

仿生支架可以采用CAD建模方法设计内部结构,并采用快速成形加工制备仿生支架实体。仿生支架必须保证其结构形状和力学性能,其中力学性能与内部单元的排列方式和尺寸有关,通常采用的排列方式包括0/90°排列方式、0/60°/120°排列方式及两两相交排列。通过力学试验证明:增大内部单元尺寸可以提高力学性能;在不同的排列方式中,0/90°排列方式的仿生支架具有较高的抗压性能,同时,承受压力的方向同样影响仿生支架的力学性能,在X方向和Y方向,仿生支架具有较高的压力承受能力;在支架受到外界压力作用时,支架的应力一应变不是均匀变化的,而是由4个不同的阶段构成。     

仿生支架力学性能测试与分析

仿生支架可以采用CAD建模方法设计内部结构,并采用快速成形加工制备仿生支架实体.仿生支架必须保证其结构形状和力学性能,其中力学性能与内部单元的排列方式和尺寸有关,通常采用的排列方式包括0/90°排列方式、0/60°/120°排列方式及两两相交排列.通过力学试验证明:增大内部单元尺寸可以提高力学性能;在不同的排列方式中,0/90°排列方式的仿生支架具有较高的抗压性能,同时,承受压力的方向同样影响仿生支架的力学性能,在X方向和Y方向,仿生支架具有较高的压力承受能力;在支架受到外界压力作用时,支架的应力一应变不是均匀变化的,而是由4个不同的阶段构成.     

仿生骨支架微观孔结构的构建与评价

在分析人体骨微观孔结构和影响支架性能因素的基础上,提出仿生骨支架微观孔结构的构建与评价方法。基于多约束背包问题模型的结构,以椭球体作为构建微观孔结构负模型的单元体,利用混合遗传算法求解微观孔结构的负模型;并将孔隙率和连通性作为约束条件,以保证仿生骨支架具有生物活性。通过不含微观孔的支架模型与负模型之间的布尔运算,构建含有微观孔结构的仿生骨支架模型。以支架的孔隙率、孔间的连通性、孔分布的均匀性、孔道的扭曲度和支架的比表面积作为评价指标,建立仿生骨支架微观孔结构的评价体系。基于支架微观孔结构的负模型,提出支架的孔隙率、连通性、均匀性、扭曲度和比表面积的计算方法,以实现对仿生骨支架微观孔结构的评价与优化。通过上述方法构建的仿生骨支架具有良好的生物活性、较好的力学性能以及均衡的降解速度。     

选择性激光烧结方法加工仿生支架的工艺研究

在利用选择性激光烧结技术加工仿生支架过程中,加工参数(包括激光功率、扫描速度、扫描间距)是影响成形质量的重要因素,通过调整加工参数可以使成形零件内部保持一定的孔隙,从而产生支架内部微孔结构。正交试验方法可以科学地安排和分析多种因素的影响,从而优化加工参数,最终获得具有较高孔隙率的仿生支架。     

选择性激光烧结方法加工仿生支架的工艺研究

在利用选择性激光烧结技术加工仿生支架过程中，加工参数（包括激光功率、扫描速度、扫描间距）是影响成形质量的重要因素，通过调整加工参数可以使成形零件内部保持一定的孔隙，从而产生支架内部微孔结构。正交试验方法可以科学地安排和分析多种因素的影响，从而优化加工参数，最终获得具有较高孔隙率的仿生支架。     

基于知识的人工骨三维结构仿生设计研究

针对目前人工骨设计中产生的生物活性差、设计周期长、植入人体内出现排异现象等问题,提出了一种基于知识的人工骨三维结构仿生设计方法;结合人体的知识模型,分成人工骨外部三维重建和内部微观结构仿生设计两部分,可以设计出具有内部仿生微观结构和外部与实际骨形状相似的人工骨。     

基于体素和三周期极小曲面的骨支架多孔结构设计

为解决组织工程骨支架多孔结构设计问题,提出一种基于体素和三周期极小曲面的骨支架设计方法。采用隐函数表达的三周期极小曲面作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数及Log-Sigmoid函数的方法,构建不同结构的三周期极小曲面孔隙单元;采用逆向几何求交体的体素化算法,对三角网格模型进行空间单元划分,进而确定目标装配区域;再通过形函数坐标变换,将孔隙单元映射到空间单元中,从而构建空间域多孔结构;最后采用布尔运算得到具有多孔结构的支架模型。实例结果表明,所提设计方法能构建孔隙结构可控的多孔模型,从而为组织工程骨支架设计提供一种可行的方法。     

基于骨组织微结构模型的仿生支架逆向设计

模拟人体骨组织结构,满足其几何相容性与生物适应性功能约束要求的多孔骨支架微观结构构建为组织工程中的关键问题。提出一种模拟人体骨组织多孔微观结构来构建仿生支架的逆向设计方法。利用Micro-CT扫描人体胫骨的微观结构,发现其孔的形态与椭球接近。为寻找人体骨结构的分布规律,利用椭圆最小二乘法拟合人体骨的Micro-CT图像,结果表明人体胫骨的微孔短径和长径的值分别分布在0.24mm和0.48mm附近。为使设计的多孔骨支架具有良好的生物和力学性能,将所得胫骨孔径参数创建椭球体,并通过UG二次开发技术将大量的椭球体相交形成仿生支架。研究所得的仿生支架采用人体骨结构参数,在生物和力学性能上与骨结构更为接近,对骨组织工程中的骨支架设计有一定的参考价值。     

基于RP的骨组织工程支架构造及生物学特性分析

应用三维CAD软件设计支架和相应的模具结构,通过光固化快速成形技术制造出树脂模具,并在模具中填充磷酸钙(CPC)生物材料,然后通过热分解方法去掉树脂模具,得到具有可控微管道结构的骨组织工程支架。该方法克服了传统构造方法中支架内部微管道结构不可控的缺点,为制造出更有利于细胞/组织长入和成活的支架三维空间结构提供了一个更理想的方案。INSTRONMicrotester试验设备上测得支架的最大抗压强度为7.12MPa;测得其表面粗糙度Ra=2.16μm。扫描电镜观察支架表面微结构特征,能谱分析测出支架中所含钙元素和磷元素的摩尔比是1.59∶1。结果表明所构造的支架具有良好的生物学特性。     

仿袋鼠跳跃机器人运动和力传递性能研究

在仿袋鼠机器人机构模型的基础上,建立了跳跃过程着地阶段的运动学方程;通过关节空间与操作空间速度的变换关系,定义仿袋鼠机器人跳跃运动速度和力方向可操作度;以速度和力方向可操作度为性能指标,度量仿袋鼠跳跃机器人在操作空间中的运动和力传递性能,解释了袋鼠起跳瞬间小腿与地面垂直是为了保证有足够的运动和力传递的灵活性。     

基于虚拟样机的仿生推进装置运动学仿真

用Pro/E软件建立了仿生推进装置的机构模型,利用虚拟样机软件ADAMS对机构进行仿真,得到了翼盘的位移、速度曲线及连杆的驱动力矩曲线,证实机构运动符合预设的要求.为进一步的研究和优化仿生推进装置提供了依据.     

仿生推进装置翼盘变速运动的数值模拟研究

根据仿生推进装置运动的特点,考虑推进翼盘推进过程中运动速度的变化,运用FLUENT软件,通过自定义非定常入口边界实现推进翼盘在变速运动中的三维流场数值模拟,得到了速度、压强、阻力等流场参数.绘制出不同驱动速度下翼盘的推进力曲线,并分析了负推进力产生的原因.所得结论为仿生推进装置的优化提供了理论参考依据.     

支持无余量装配的容差语义建模技术研究

主流三维CAD系统侧重于产品的几何模型描述 ,其容差信息的描述方法对容差分析与综合的支持有限。容差设计是装配设计的主要工作之一 ,直接影响到产品的可装配性。航空产品研制过程中通常用工艺余量来补偿装配累积误差 ,不合理的余量将导致装配效益低下。因此 ,本文提出了一种新的容差建模方法———支持无余量装配的容差语义建模技术 ,建立了支持无余量装配的容差语义模型。本模型包含父子装配单元之间的从属关系、装配单元之间的约束关系和零件的属性等信息 ,采用统一建模语言 (UML)进行描述 ,并给出了实例对本方法进行了验证。本模型能够较全面地表达产品的设计意图 ,为余量优化设计、装配容差分析与综合提供必要的信息支持。     

基于ZMP法的仿袋鼠跳跃机器人着地阶段运动稳定性分析

基于仿袋鼠跳跃机器人五刚体机构模型,运用拉格朗日法,建立了跳跃机器人系统着地阶段的动力学方程,采用ZMP法研究了仿袋鼠弹跳机器人的运动稳定性,提出了其着地运动稳定裕度的计算方法和判据;采用Matlab仿真工具,结合实例分析,对机器人着地阶段各关节驱动力矩以及ZMP点的变化情况进行了仿真,并提出了改进刚性模型着地运动稳定性的方法。仿真结果表明:ZMP法在此模型上分析是有效的。     

数控线切割加工空间曲面CAD/CAM技术研究

目前国内加工空间曲面零件通过采用锥度切割装置使电极丝倾斜一定角度来实现锥度切割,这种方法易产生的加工误差较大.论文在五轴联动数控线切割加工系统的运动分析的基础上,建立了直角坐标下空间曲面零件线切割加工成型的数控模型,阐述了利用G代码合成空间曲面的方法,提出了运用模块化技术设计空间曲面线切割五轴联动数控系统上位机软件设计方案,为空间曲面线切割CAD/CAM系统的研究提供了依据.     

仿蛇怪蜥蜴推进装置运动仿真分析及试验研究

通过模仿蛇怪蜥蜴水上奔跑时腿部运动姿态,设计了一种仿蛇怪蜥蜴推进装置。在前期理论分析基础上,着重讨论了仿生推进装置性能随叶轮转速的变化规律,应用计算流体力学模拟了推进装置的三自由度运动,分析了转速对仿生推进装置的推进速度、推进力和升力等参数的影响,进一步开展了原理试验。仿真和试验结果表明,增大叶轮转速可提高仿生推进装置的推进速度,但存在一定的临界范围,超出此范围,增加叶轮吃水深度可有效提高航速。     

平尾大轴CAD/CAM专用系统总体设计的研究

讨论了某型号飞机平尾大轴在传统设计和加工中存在的问题。根据平尾大轴设计和加工的特殊要求 ,提出了专用系统的总体结构及数据流程。利用UGⅡ软件作为二次开发平台 ,对二次开发专用系统的方法以及开发中的关键技术问题进行了研究 ,研制出了实用的平尾大轴CAD/CAM专用系统。该系统具有高效、精确的造型功能 ,提供对平尾大轴非几何特性的精确计算 ,具有二维绘图功能 ,提供高效稳定的专用加工方法。该系统已在实际工程中得到应用     

复杂型面板料件冲压仿真有限元建模技术研究

探讨了具有复杂型面的大型板料件冲压仿真有限元建模过程中的一些关键技术问题。针对此类零件具有几何形状复杂的特点 ,利用造型功能强大的三维造型软件对由扫描测量机测到的离散数据进行拟合和光顺处理 ,得到零件的精确曲面 CAD模型 ,然后通过标准数据转换接口 ,将 CAD模型转入仿真软件的前处理器中 ,再利用软件的曲面网格划分功能对其进行网格划分 ,最终建立起冲压仿真所需的有限元模型。以轿车门内板冲压仿真有限元模型建模为例 ,说明了复杂型面板料件冲压仿真有限元建模技术的实际应用。     

仿生液压管路双向流固耦合机理及脉动吸收研究

高速高压化导致液压泵口流量压力脉动加剧,其振动控制尤为重要。借鉴“猎豹心脏出口血管能耐受高压高频血液脉动”的生物学机理和结构,提出一种具有3层结构的仿生管路,其外层为钢管,中层为硅橡胶,内层涂有减摩材料。针对仿生管路的中层,考虑硅胶材料非线性,对比分析国内外已有的硅胶材料数学模型后,选用Mooney-Rivlin模型描述硅胶材料,其模型参数由拉伸实验确定;然后,结合硅胶材料模型,对液压管路流固耦合14-方程进行修正;最后,采用ANSYS Workbench软件分别对不同管路长度和硅胶层厚度的仿生管路进行双向流固耦合仿真。数值分析结果表明,随着管路长度和硅胶层厚度的增加,仿生管路对流量脉动吸收效果不断增强。