论文部分内容阅读
骨缺损、粉碎性骨折等骨科疾病严重影响了病人的正常生活,通过骨头自身的恢复机制很难使其复原,因此需要进行外部植入体替换来帮助病人恢复正常水平。为了消除传统实心植入体带来的弊端,一种常用的方法是将植入体设计为多孔结构。真实松质骨的结构复杂,具有极大的随机性,应用于仿真分析尚可,但是实际加工十分困难。传统的CAD设计方法又无法控制多孔结构的性能,因此如何实现对特定性能的松质骨模型重建具有重要的意义。本论文针对拓扑优化技术可以根据设计要求人为地给定目标函数,并通过设定约束条件求解合理的模型的优点,以猪的股骨为研究对象,以松质骨的力学性能作为设计目标,以松质骨的体积分数作为约束条件,研究拓扑优化技术进行多孔结构模型重建的问题,主要内容包括:(1)基于Wolff定律,提出了松质骨的体积分数分布与其在股骨中所处位置具有相关性的假设。基于图像的建模方法利用Mimics17.0软件对松质骨分块重建,并对每个模型的体积分数进行计算分析。结果表明松质骨的体积分数随着位置的不同而发生变化,越靠近压力中心,体积分数越大。(2)将有限元法与代表体元法相结合借助ANSYS软件对松质骨模型的力学性能进行分析。结果表明松质骨的力学性能呈各向异性,并且与体积分数之间存在一定的关系,即主压力方向的弹性模量随着体积分数的增大而增大。(3)以松质骨的体积分数作为约束条件,以松质骨的各向异性力学性能作为设计目标,提出采用拓扑优化技术对松质骨模型进行重建的方法。基于变密度方法引入以单元密度作为设计变量的插值函数,利用均匀化方法对迭代过程中模型的等效性能进行求解。然后利用阈值过滤的方法将优化结果在ANSYS中显示,并根据优化结果重建出多孔结构的三维模型。经过数值实验分析,模型基本满足性能上的要求,并且应力分布更加均匀,数据量大大减小,便于加工和后处理。基于拓扑优化技术对多孔结构进行建模的方法,既解决了传统建模方法的弊端,又结合了基于图像建模方法的优点,对于各向异性松质骨多孔结构的重建有重要的意义,为骨植入物应用于临床骨疾病治疗及康复提供应用研究。