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基于三周期极小曲面法骨小梁支架的设计与性能研究

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生物医学工程学杂志 2024年第3期41卷 584-594页

作者：门玉涛汤绍灿陈炜刘福龙张春秋 .天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心天津300384

三周期极小曲面(TPMS)可以通过公式精确地控制多孔支架的形态而被广泛应用。本文构建一种I型包装(I-WP)型多孔支架,采用有限元法研究壁厚和周期与支架形态和力学性能的关系,并进行压缩和流体性能的研究。研究发现,不同壁厚(0.1~0.2 mm)... 详细信息

三周期极小曲面(TPMS)可以通过公式精确地控制多孔支架的形态而被广泛应用。本文构建一种I型包装(I-WP)型多孔支架,采用有限元法研究壁厚和周期与支架形态和力学性能的关系,并进行压缩和流体性能的研究。研究发现,不同壁厚(0.1~0.2 mm)、不同周期(I-WP 1~I-WP 5)的I-WP型支架孔隙率在68.01%~96.48%范围内,等效弹性模量为0.655~18.602 GPa;随着周期和壁厚的增加,支架应力分布趋于均匀;拓扑优化后I-WP型支架等效弹性模量基本不变,渗透性提升52.3%。综上,对于I-WP型支架可以先调控周期参数,后调控壁厚参数,结合拓扑优化来达到设计要求。本文构建的I-WP型支架具有良好的力学性能,且满足修复人体骨组织的需求,为人工骨小梁支架的设计提供一种新选择。

关键词：三周期极小曲面多孔支架拓扑优化结构强度渗透性

径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架结构设计与力学性能分析

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中国组织工程研究 2024年第5期28卷 741-746页

作者：张艺海商鹏马奔原侯光辉崔伦旭宋万振齐德瑄刘艳成河北工业大学机械工程学院天津市300401 天津大学天津医院(暨天津市天津医院) 天津市300211

背景:传统骨植入物的弹性模量较大,与人体骨弹性模量不匹配,会引起应力遮挡效应,从而导致骨吸收。径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架具有与人体松质骨匹配的弹性模量,且屈服强度大于人体皮质骨屈服强度,为骨支架设计提供了一种新的选择... 详细信息

背景:传统骨植入物的弹性模量较大,与人体骨弹性模量不匹配,会引起应力遮挡效应,从而导致骨吸收。径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架具有与人体松质骨匹配的弹性模量,且屈服强度大于人体皮质骨屈服强度,为骨支架设计提供了一种新的选择。目的:通过隐式曲面法构建径向梯度三周期极小曲面结构,采用激光选区熔化技术制备样件,进行准静态压缩实验,得到力学性能与人体骨骼匹配的骨小梁支架。方法:通过隐式曲面法,建立G型、Ⅰ型、P型和D型4种径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架;采用激光选区熔化技术制备样件,观测成型样件的表面形貌,评估成型质量,进行准静态压缩实验,评估样件的力学性能。结果与结论:准静态压缩实验结果表明,对比4种径向梯度三周期极小曲面支架,G支架平台应力波动小,没有出现失效断裂,塑性最好;对45%,55%和65%3种孔隙率G支架的力学性能进行分析,发现55%孔隙率G支架的弹性模量在人体松质骨的弹性模量范围内(0.022-3.7 GPa),屈服强度接近人体皮质骨最大屈服强度(187.7-222.3 MPa)。结果显示,55%孔隙率的G型径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架能够降低应力遮挡效应,承受较高人体载荷,提高植入物的稳定性,延长植入物的使用寿命。

关键词：激光选区熔化三周期极小曲面径向梯度骨小梁支架力学性能

选区激光熔化制备三周期极小曲面多孔结构性能研究

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激光与光电子学进展 2024年

作者：时艺乌日开西·艾依提张宇涛新疆大学智能制造现代产业学院(机械工程学院) 新疆工程学院

三周期极小曲面（TPMS）具有过渡光滑、比表面积高、内部互通性好等优点，本文采用选区激光熔化（SLM）技术制备了三种孔隙率、两种晶胞尺寸以及梯度密度、梯度尺寸的TPMS多孔结构，通过压缩试验和有限元仿真对比了单一结构和梯度结构... 详细信息

三周期极小曲面（TPMS）具有过渡光滑、比表面积高、内部互通性好等优点，本文采用选区激光熔化（SLM）技术制备了三种孔隙率、两种晶胞尺寸以及梯度密度、梯度尺寸的TPMS多孔结构，通过压缩试验和有限元仿真对比了单一结构和梯度结构的力学性能及其破坏形式的不同。TPMS多孔结构的弹性模量范围在3.0-5.5 GPa，屈服强度范围在54-159 MPa，与人体骨组织力学性能相匹配。结果表明：孔隙率是影响结构力学性能的关键因素，晶胞尺寸的影响较小；Gyroid型结构的压缩刚度高于Primitive型结构；梯度结构相较同孔隙率的单一结构会进一步降低结构的弹性模量，并表现出与单一结构不同的变形破坏形式。

关键词：选区激光熔化三周期极小曲面梯度密度梯度尺寸

3D打印三周期极小曲面多孔钽仿生骨支架结构设计及其力学性能研究

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西安交通大学学报 2024年

作者：时艺乌日开西·艾依提张宇涛新疆大学智能制造现代产业学院(机械工程学院) 新疆工程学院

为了实现植入物与人体骨在生物力学和细胞相容性方面的匹配，综合评价了Ta点阵结构的力学性能和渗透性能，以寻求可应用于钽多孔骨支架的最佳点阵结构。本文基于三周期极小曲面的不同建模方法，设计了6种类型的单元体结构，通过选区激... 详细信息

为了实现植入物与人体骨在生物力学和细胞相容性方面的匹配，综合评价了Ta点阵结构的力学性能和渗透性能，以寻求可应用于钽多孔骨支架的最佳点阵结构。本文基于三周期极小曲面的不同建模方法，设计了6种类型的单元体结构，通过选区激光熔化工艺（SLM）制备了相关钽点阵结构试样。通过准静态压缩试验获得点阵结构的力学性能，并记录破坏过程；基于有限元软件Abaqus建立相对应的压缩模型，获取压缩过程中应力应变的变化；利用COMSOL软件对点阵结构的渗透性能进行模拟分析。结果表明：片状结构的弹性模量、屈服强度和能量吸收均高于杆状结构，渗透率则低于杆状结构。G型和F-KS型杆状结构在50%应变下出现了脆性断裂的裂口。6种Ta点阵结构的弹性模量范围为3.8～6.1 GPa，屈服强度范围为47～107 MPa，介于皮质骨和松质骨的范围内；6种结构的渗透率为6.5×10-10～3.97×10-9m2，均在骨小梁的渗透率范围内。这表明所设计的Ta点阵结构适用于骨支架，综合性能最好的是G型片状结构。

关键词： 3D打印选区激光熔化三周期极小曲面多孔钽骨支架渗透性

基于三周期极小曲面晶胞梯度支架的设计及力学性能

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中国组织工程研究 2024年

作者：朱文博张旭婧许燕石欣桐新疆大学智能制造现代产业学院(机械工程学院)

背景：现阶段骨软骨一体化支架的弹性模量与天然骨软骨相差较大，植入人体后会引起应力遮蔽现象，从而导致植入物松动变形，影响骨软骨组织修复。轴向三周期极小曲面晶胞梯度支架可与人体骨软骨组织孔隙率及弹性模量相匹配，为骨软骨支... 详细信息

背景：现阶段骨软骨一体化支架的弹性模量与天然骨软骨相差较大，植入人体后会引起应力遮蔽现象，从而导致植入物松动变形，影响骨软骨组织修复。轴向三周期极小曲面晶胞梯度支架可与人体骨软骨组织孔隙率及弹性模量相匹配，为骨软骨支架设计提供一种新的思路。目的：研究不同晶胞种类和孔径结构对晶胞梯度支架力学性能的影响。方法：使用Gyroid(G)型、Diamond(D)型Primitive(P)型3种基础晶胞，通过三周期极小曲面数学建模，在梯度区域使用不同尺寸、不同种类晶胞，共计构建6种晶胞梯度支架(G-2P-4D、P-2D-4G、D-2P-4D、G-2D-4P、P-2G-4D、D-2G-4P)，进行力学实验及仿真模拟实验，评估支架的力学性能，通过计算流体动力学仿真得到了支架内流体的流动性能参数。结果与结论：有限元力学仿真和轴向压缩实验表明，P-2G-4D型与P-2D-4G型梯度支架的弹性模量相较高，分别为148.67 MPa和152.1 MPa，能够承受较高的轴向载荷，提高植入物的力学稳态；D-2P-4G型梯度支架应力分布最为均匀，可有效减少应力集中，使得连接函数区域均能够有效传递应力，减少应力遮蔽；G-2D-4P型梯度支架流动速率变化最小，为0.10-0.48 mm/s，渗透率较高，有利于植入后体液在支架内部流动。基于三周期极小曲面的晶胞梯度支架设计为骨软骨支架设计提供了新思路，仿真分析结果也为支架植入人体后的骨整合预测提供了参考。

关键词：三周期极小曲面晶胞梯度连接函数骨软骨支架力学性能流体性能

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基于三周期极小曲面的多孔结构力学性能研究

机械制造与自动化 2024年第1期53卷 49-54页

作者：张曦丁力平吴沛豪南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

针对设计多孔结构时难以直接预测其力学性能的问题,选取三周期极小曲面中的Schwarz_P曲面,采用选区激光熔化技术制备不同结构参数的Schwarz_P结构;通过压缩试验研究其力学性能,建立Schwarz_P结构的结构参数与力学性能之间的关系模型。... 详细信息

针对设计多孔结构时难以直接预测其力学性能的问题,选取三周期极小曲面中的Schwarz_P曲面,采用选区激光熔化技术制备不同结构参数的Schwarz_P结构;通过压缩试验研究其力学性能,建立Schwarz_P结构的结构参数与力学性能之间的关系模型。试验结果表明:建立的模型拟合优度在98%以上,采用该模型预测的力学性能与实测值基本一致,在设计多孔结构时可直观地预估其力学性能。

关键词：三周期极小曲面多孔结构力学性能选区激光熔化

基于三周期极小曲面结构的电机外壳散热性能研究

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机械设计与制造工程 2024年第2期53卷 34-38页

作者：周志光江苏雷利电机股份有限公司江苏常州213000

为优化电机散热性能,分别设计三周期极小曲面(TPMS)和翅片两种结构的电机外壳,并通过有限元分析和装机温升实验对其进行性能评估。温升测试过程中,TPMS结构机壳最高温度为46.2℃,内部线圈最高温度为107.7℃。与原始结构和翅片结构相比,... 详细信息

为优化电机散热性能,分别设计三周期极小曲面(TPMS)和翅片两种结构的电机外壳,并通过有限元分析和装机温升实验对其进行性能评估。温升测试过程中,TPMS结构机壳最高温度为46.2℃,内部线圈最高温度为107.7℃。与原始结构和翅片结构相比,机壳最高温度分别降低了18.7%和42.2%,线圈温度分别降低了33.7%和10.6%。结果表明,TPMS结构具有更优异的散热效果,可有效提高电机的散热性能。

关键词：三周期极小曲面散热性能有限元仿真

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三周期极小曲面结构设计及应用综述

计算机辅助设计与图形学学报 2023年第3期35卷 329-340页

作者：闫鑫田李昊彭昊吕琳山东大学计算机科学与技术学院青岛266237

三周期极小曲面是一种隐函数表示的代数曲面,具有许多优良的性质.增材制造技术的快速发展极大地增强了复杂几何与拓扑结构的制造能力,三周期极小曲面作为几何建模工具越来越受到关注.首先,从数学表达、性质、应用以及几何设计方法等方... 详细信息

三周期极小曲面是一种隐函数表示的代数曲面,具有许多优良的性质.增材制造技术的快速发展极大地增强了复杂几何与拓扑结构的制造能力,三周期极小曲面作为几何建模工具越来越受到关注.首先,从数学表达、性质、应用以及几何设计方法等方面对三周期极小曲面的研究现状进行介绍;其次,对三周期极小曲面在力学、传热传质、组织工程和声学等方面的性能及相关应用进行总结,从几何建模方法的角度对三周期极小曲面进行分类梳理,将现有工作分为规则单元法、参数单元法、区域拼接法以及整体优化法4类,对各方法特点进行分析;最后,结合实际应用对该领域面临的挑战进行总结,并展望未来工作与发展趋势.

关键词：三周期极小曲面几何建模仿生结构隐式曲面增材制造

三周期极小曲面骨支架微观结构对支架性能的影响研究进展

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中国修复重建外科杂志 2023年第10期37卷 1314-1318页

作者：孙亚迪马剑雄王岩董本超杨培川李岩李奕扬周丽芸申佳慧马信龙天津大学天津医院(天津市天津医院)骨科研究所天津300211 天津市骨科研究所天津300050 天津市骨科生物力学与医学工程重点实验室天津300050

目的对三周期极小曲面(triply-periodic minimal surface,TPMS)骨支架微观结构对支架性能的影响研究进展进行综述。方法广泛查阅近年来国内外有关TPMS骨支架微观结构研究的相关文献,总结微观结构对骨支架性能的影响相关进展。结果 TPM... 详细信息

目的对三周期极小曲面(triply-periodic minimal surface,TPMS)骨支架微观结构对支架性能的影响研究进展进行综述。方法广泛查阅近年来国内外有关TPMS骨支架微观结构研究的相关文献,总结微观结构对骨支架性能的影响相关进展。结果 TPMS骨支架微观结构特征包括孔隙形状、孔隙率、孔径尺寸、曲率、比表面积和扭曲度等,均对骨支架性能有显著影响。通过对上述参数进行精确调控,可优化支架机械特性,有效预防应力屏蔽现象发生;还能优化支架生物学性能,从而促进细胞黏附、增殖和生长,并协助骨组织生长与渗透,最终实现理想的骨融合效果。结论微观结构对于TPMS骨支架性能具有显著而重要的影响,通过深入探究这些微观结构对骨支架性能的影响规律与特性,有望进一步优化骨支架设计,使其更匹配特定植入骨区域。

关键词：三周期极小曲面骨支架微观结构性能