一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法技术

一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法，具体包括八个步骤：步骤一：制定可控因素水平表；步骤二：利用正交表进行内设计；步骤三：制定误差因素水平表；步骤四：进行外设计；步骤五：求质量特性值；步骤六：计算信噪比和灵敏度；步骤七：内表的统计分析；步骤八：确定最佳参数设计方案；本发明专利技术通过使用三次设计方法对复合材料接骨板进行多参数优化，最大限度的发挥了复合材料骨板的材料及结构性能，解决了传统固定器只能单参数设计的问题，在医疗器材领域有着重要的价值。

An optimization design method of composite plate based on three stage design method

An optimization design method of composite plate design method based on three times, including eight steps: making controllable factor level table; step two: using orthogonal design; step three: make the error factor level table; step four: peripheral; step five: quality characteristic value; step six: calculate the signal-to-noise ratio and sensitivity; step seven: statistical analysis table; step eight: determine the optimum design parameters; the invention through the use of three design methods of composite plate for multi parameter optimization, to maximize the material and structure of composite bone plate performance, can solve the traditional fixing device for single parameter design problems, has the important value in the field of medical equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法
本专利技术涉及一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法，具体涉及医疗产品可靠性工程

技术介绍
随着我国医疗行业的迅速发展，大量的医疗器材和医疗产品出现在了大众的视野。我国的医疗器械和产品发展经历了从无到有、从小到大的发展过程，产品种类也从当初单一的常规器械日益多样。但是同发达国家相比，我国医疗器械技术含量不高，国产医疗器械大部分属于中低端产品，因技术不足、稳定性欠佳等问题而无望涉及高端产品领域。当今社会中，骨折已经成为一种很常见的疾病了，利用接骨板进行内固定是骨科治疗骨折的常用手段之一。对骨折进行接骨板固定后，骨折端的活动度取决于外部负荷的大小、固定系统的刚度以及骨折间桥接的组织的刚度。传统的接骨板多为金属材料，存在以下不足：(1)弹性模量与骨差异过大，有应力遮挡效应。(2)其耐腐蚀、抗疲劳性差、容易发生失效。(3)与骨接触面积大、破坏皮质骨的血供。(4)引起骨折畸形愈合、骨不连、骨折之后的再骨折现象，不利于骨折愈合。(5)与人体组织相容性存在不足。(6)不具有与自然组织相适应的物理机械性能。目前也有一些新型材料的接骨板出现，与传统金属接骨板相比，其本质也只是针对于材料的优化，仅是单参数的改变其刚度，或单参数的提高其耐腐蚀抗疲劳性，没有极大地发挥出新型材料作为骨折固定器的最大优势。
技术实现思路
本专利技术提出了一种多参数优化复合材料接骨板的方法，采用多材料复合方法改善其刚度，解决了弹性模量与骨差异过大、与人体组织不相容、抗腐蚀性差、破坏血供等问题，通过多参数优选的方式，最大限度的提高了复合材料接骨板治疗骨折的性能。一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法，包括如下步骤：步骤一：制定可控因素水平表；在试验中水平可以指定并加以挑选的因素，即水平可以人为加以控制的因素，称为可控因素；例如时间、温度、加工方法、电阻、电压、电流强度等均为可控因素；可控因素水平表一般取三水平；步骤二：利用正交表进行内设计；根据可控因素个数和水平数选用相应的正交表(称为内表)，确定对可控因素所进行的试验方案的设计称为内设计；在参数空间指定一个搜索范围后，其试验次数仍太多，采用正交试验可大大减少试验次数，由于正交试验的正交性，能在很多的试验条件中，选取代表性强的少量的试验条件进行试验，分析推断出最佳的参数组合；步骤三：制定误差因素水平表；误差因素，主要指引起产品功能波动的物品间干扰、外干扰和内干扰；误差因素水平表一般取三水平；外干扰是指由于使用条件及环境条件(如温度、湿度、输入电压、磁场、操作者等)的波动或变化，将引起产品功能的波动，称这种使用条件及环境条件的波动或变化为外干扰，也称外噪声；内干扰是指产品在储存或使用过程中，随着时间的推移，发生材料老化变质现象，从而引起产品功能的波动，称这种材料老化变质现象为内干扰，也称内噪声；步骤四：进行外设计；对误差因素所进行的试验方案的设计称为外设计；内设计完成后，在参数空间指定的搜索范围内确定了若干个点，把试验点的坐标作为元器件的标称值，用误差因素模拟各种干扰进行试验；步骤五：求质量特性值；根据内、外表确定的试验方案求质量特性值；当质量特性值可计算时，可由公式直接进行计算，或者用仿真软件进行仿真；当质量特性值不可计算或仿真时，需按设计方案组装样品，通过试验测得质量特性的试验值；质量特性损失函数分为三类：望目特性的质量损失函数、望小特性的质量损失函数、望大特性的质量损失函数；望目特性的质量损失函数：望目特性质量损失函数适用于产品的输出特性y有一个确定的目标值y0(通常不为零)，并且质量损失在目标值的两侧呈对称分布，其计算公式为：L(y)＝K(y-y0)2(1)式中，K是不依赖于y的常数，称为质量损失系数；质量损失系数K的确定可以有两种方法：一种是根据功能界限和相应的损失来确定；另一种是根据容差△J和相应的损失来确定；望小特性的质量损失函数：质量特征是：不取负值，越小越好，目标值为零；当其输出特性值增大时，其性能逐渐变差，质量损失逐渐变大；望大特性的质量损失函数：质量特性是：不取负值，越大越好，零值最差；当其输出特性值增大时，其性能逐渐变好，质量损失逐渐变小，其理想的值是无穷大；步骤六：计算信噪比和灵敏度；信噪比SN和灵敏度S的计算公式为：望目特性信噪比SN的计算公式为：式中，yi为产品质量特性，为产品质量特性均值，N为样品数；望小特性信噪比SN的计算公式为：望大特性信噪比SN的计算公式为：灵敏度S的计算公式为：步骤七：内表的统计分析；通过对内表的试验数据的统计分析，分别判断出各个可控因素对信噪比和灵敏度影响是否显著；并把可控因素分为三种类型：稳定因素、调整因素和次要因素；其中，所述稳定因素指的是在信噪比分析中显著的可控因素；调整因素指的是在信噪比分析中不显著，但在灵敏度分析中显著的可控因素，可以通过对因素水平的“调整”，使可控因素最佳条件下的质量特性的期望值趋近目标值；次要因素指的是在信噪比和灵敏度分析中都不显著的可控因素，其在减少成本以及缩短产品研发周期有重要作用；步骤八：确定最佳参数设计方案；通过SN比分析，找出最优水平的组合；当最佳水平组合的响应没有达到目标值时，可通过调整因素进行调整；采用仿真的方法对优化结果进行分析；其中，步骤一所述的可控因素包括接复合材料接骨板材料平均的杨氏模量、层合板的铺层顺序、层合板的厚度、铺层数量；其中，步骤二所述的“利用正交表进行内设计”是指对所选的复合材料接骨板材料平均的杨氏模量、层合板的铺层顺序、层合板的厚度、铺层数量这些参数采用正交试验方法，利用正交表，完成接骨板内表的设计；其中，步骤三所述的误差因素是指制造加工时引起的接骨板板面的翘曲变形的温度变化和负载；其中，步骤四所述的外设计是将所选的误差因素温度变化和负载采用正交试验方法，利用正交表，完成接骨板外表的设计；其中，步骤八所述的仿真手段是：将优化后的接骨板应用到骨折愈合仿真平台，模拟使用优化后接骨板对骨折愈合的治疗情况，观察其对骨折愈合的影响，确定参数最优的设计方案。本专利技术的的有益效果是：本专利技术明确提出了一种复合材料接骨板的优化设计流程，对复合材料且结构本质为层合板的接骨板来说，材料平均的杨氏模量、层合板的铺层顺序、层合板的厚度、铺层数量决定了接骨板的固定性能，本专利技术采用三次设计的方法同时优化了这四个参数并最终可以选择出四个参数综合最佳的接骨板结构，解决了传统优化方式只能单一考虑某种参数的优化方式，将复合材料接骨板的性能通过多参数共同优化，使其达到最佳的性能，极大的发挥出了复合材料在骨折固定器应用中最佳的性能，保证了在骨折治疗中达到最佳的刚度和与人体组织的相容性，降低了应力遮挡对骨折愈合的不利影响，在骨折治疗中达到更好的效果。附图说明图1是本专利技术实施步骤流程示意图。具体实施方式一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：步骤一：制定可控因素水平表；在试验中水平可以指定并加以挑选的因素，即水平可以人为加以控制的因素，称为可控因素；例如时间、温度、加工方法、电阻、电压、电流强度等均为可控因素；可控因素水平表一般取三水平；试验中考察可控因素的目的，在于确定其最佳水平组合，也即最佳方案；在最本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法，包括如下步骤：步骤一：制定可控因素水平表；在试验中水平可以指定并加以挑选的因素，即水平可以人为加以控制的因素，称为可控因素；例如时间、温度、加工方法、电阻、电压、电流强度等均为可控因素；可控因素水平表一般取三水平；步骤二：利用正交表进行内设计；根据可控因素个数和水平数选用相应的正交表(称为内表)，确定对可控因素所进行的试验方案的设计称为内设计；在参数空间指定一个搜索范围后，其试验次数仍太多，采用正交试验可大大减少试验次数；由于正交试验的正交性，能在很多的试验条件中，选取代表性强的少量的试验条件进行试验，分析推断出最佳的参数组合；步骤三：制定误差因素水平表；误差因素，主要指引起产品功能波动的物品间干扰、外干扰和内干扰；误差因素水平表一般取三水平；外干扰是指由于使用条件及环境条件(如温度、湿度、输入电压、磁场、操作者等)的波动或变化，将引起产品功能的波动，称这种使用条件及环境条件的波动或变化为外干扰，也称外噪声；内干扰是指产品在储存或使用过程中，随着时间的推移，发生材料老化变质现象，从而引起产品功能的波动，称这种材料老化变质现象为内干扰，也称内噪声；步骤四：进行外设计；对误差因素所进行的试验方案的设计称为外设计；内设计完成后，在参数空间指定的搜索范围内确定了若干个点，把试验点的坐标作为元器件的标称值，用误差因素模拟各种干扰进行试验；步骤五：求质量特性值；根据内、外表确定的试验方案求质量特性值；当质量特性值可计算时，可由公式直接进行计算，或者用仿真软件进行仿真；当质量特性值不可计算或仿真时，需按设计方案组装样品，通过试验测得质量特性的试验值；质量特性损失函数分为三类：望目特性的质量损失函数、望小特性的质量损失函数、望大特性的质量损失函数；望目特性的质量损失函数：望目特性质量损失函数适用于产品的输出特性y有一个确定的目标值y0(通常不为零)，并且质量损失在目标值的两侧呈对称分；其计算公式为：L(y)＝K(y‑y...

【技术特征摘要】
1.一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法，包括如下步骤：步骤一：制定可控因素水平表；在试验中水平可以指定并加以挑选的因素，即水平可以人为加以控制的因素，称为可控因素；例如时间、温度、加工方法、电阻、电压、电流强度等均为可控因素；可控因素水平表一般取三水平；步骤二：利用正交表进行内设计；根据可控因素个数和水平数选用相应的正交表(称为内表)，确定对可控因素所进行的试验方案的设计称为内设计；在参数空间指定一个搜索范围后，其试验次数仍太多，采用正交试验可大大减少试验次数；由于正交试验的正交性，能在很多的试验条件中，选取代表性强的少量的试验条件进行试验，分析推断出最佳的参数组合；步骤三：制定误差因素水平表；误差因素，主要指引起产品功能波动的物品间干扰、外干扰和内干扰；误差因素水平表一般取三水平；外干扰是指由于使用条件及环境条件(如温度、湿度、输入电压、磁场、操作者等)的波动或变化，将引起产品功能的波动，称这种使用条件及环境条件的波动或变化为外干扰，也称外噪声；内干扰是指产品在储存或使用过程中，随着时间的推移，发生材料老化变质现象，从而引起产品功能的波动，称这种材料老化变质现象为内干扰，也称内噪声；步骤四：进行外设计；对误差因素所进行的试验方案的设计称为外设计；内设计完成后，在参数空间指定的搜索范围内确定了若干个点，把试验点的坐标作为元器件的标称值，用误差因素模拟各种干扰进行试验；步骤五：求质量特性值；根据内、外表确定的试验方案求质量特性值；当质量特性值可计算时，可由公式直接进行计算，或者用仿真软件进行仿真；当质量特性值不可计算或仿真时，需按设计方案组装样品，通过试验测得质量特性的试验值；质量特性损失函数分为三类：望目特性的质量损失函数、望小特性的质量损失函数、望大特性的质量损失函数；望目特性的质量损失函数：望目特性质量损失函数适用于产品的输出特性y有一个确定的目标值y0(通常不为零)，并且质量损失在目标值的两侧呈对称分；其计算公式为：L(y)＝K(y-y0)2(1)式中，K是不依赖于y的常数，称为质量损失系数；质量损失系数K的确定可以有两种方法：一种是根据功能界限和相应的损失来确定；另一种是根据容差△J和相应的损失来确定；望小特性的质量损失函数：质量特征是：不取负值，越小越好，目标值为零；当其输出特性值增大时，其性能逐渐变差，质量损失逐渐变大；望大特性的质量损失函数：质量特性是：不取负值，越大越好，零值最差；当其输出特性值增大时，其性能逐渐变好，质量损失逐渐变小，其理想的值是无穷大；步骤六：计算信噪比和灵敏度；信噪比SN和灵敏度S的计算公式为：望目特性信噪比SN的计算公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王沫楠，王新宇，杨宁，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23