【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于骨科植入，具体涉及一种基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真及制造方法，可以用于三周期极小曲面结构的人工支架力学性能评估。
技术介绍
1、骨骼具有层次结构，皮质骨和松质骨之间的结构存在梯度变化。骨组织中的细胞可以感知局部的机械刺激并调整骨组织的分布以适应受力。骨科植入物在结构上的设计准则之一是要满足骨骼的应力强度，在应力作用下，植入人体内部的植入物要保持相应的形态和功能；同时，骨科植入体还应具有适当大小的孔径和多孔占比，多孔结构起到促进组织营养液的流动、营养物质的转运和代谢废物的排出等作用，同时，也能够满足骨骼的轻量化要求因此，因此，骨科植入物通常为具有多孔的梯度导向结构。梯度导向结构能够通过调整局部形式的方向，最大限度地减少载荷的影响和对自身的损坏。
2、三周期极小曲面是由隐式方程获得具有平均曲率为0的极小曲面，是近年来发展的规则多孔结构设计方法，根据三周期极小曲面构建的多孔结构具有形状光顺、结构稳定、可控性好、孔径大小、形状和多孔占比可控、孔洞之间相互连通，多孔结构边缘光滑且与人体原生骨多孔结构相似等优点，在骨科植入等领域有着重要的应用。
3、但是，由于三周期极小曲面构建梯度结构较复杂性，通常很难获得可直接网格化并用于仿真的可编辑三周期极小曲面多孔的实体cad模型，由于三周期极小曲面所构建梯度结构的几何特征由stl格式文件中的三角形面拟合得到，其中包含用于3d打印格式的三维图像，但不能直接用于模拟。现有大多数三周期极小曲面构建梯度结构的网格划分方法是体素化，通过将模型转换为有限数量的
技术实现思路
1、鉴于以上体素化网格的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真及制造方法，用于解决仿真模型中结果不准确，不能精准捕捉结构的失效位置和变形模式等问题，进而获得力学性能较好的支撑结构。
2、本专利技术主要目的在于提供一种基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真方法，包括如下步骤：
3、步骤s100、生成不同方向孔隙梯度变化的多孔支架几何模型；
4、步骤s200、基于delaunay三角形均匀化的光顺化四面体网格策略处理步骤s100的几何模型，得到光顺化四面体网格模型。
5、根据本专利技术的实施方案，步骤s100包括：输入三周期极小曲面函数表达式，设置表达式中相应的参数，生成具有三周期极小曲面多孔支架几何模型，多孔支架几何模型具有不同方向孔隙梯度变化。
6、根据本专利技术的实施方案，三周期极小曲面函数表达式包括gyroid曲面、primitive曲面或diamond曲面等构型表达式中的一种或几种。
7、根据本专利技术的实施方案，gyroid曲面的构型可以是skeletal-gyroid构型或者sheet-gyroid构型。
8、根据本专利技术的实施方案，skeletal-gyroid构型的表达式为：fsk-g＝sin(αx)cos(αy)+sin(αy)cos(z)+sin(αz)cos(αx)＝c(x,y,z)；
9、sheet-gyroid构型的表达式为：fsh-g＝[sin(αx)cos(αy)+sin(αy)cos(z)+sin(αz)cos(αx)]2＝c2(x,y,z)。
10、极小曲面的平均曲率恒定为0，即每个点的主曲率之和为0，其中三周期曲面需要对三个独立变量的标量值函数进行求解，三个独立的变量可被视为三维欧几里德空间中某一点的x、y和z坐标；α为频率，α的取值根据实际需要设置，当α取值为2π时表示一个周期内的单元尺寸为1；c为等值参数，c控制多孔支架的孔隙率，可实现沿径向(xoy平面)或轴向(z轴方向)的孔隙梯度变化。
11、根据本专利技术的实施方案，步骤s100之后，步骤s200之前，还包括如下步骤：输出步骤s100构建的多孔支架几何模型对应的具有三维点云信息和三角面片信息的stl格式文件。
12、根据本专利技术的实施方案，步骤s200包括如下步骤：基于delaunay三角形均匀化的光顺化四面体网格策略处理stl格式文件中的三维点云信息和三角面片信息。
13、根据本专利技术的实施方案，所述处理stl格式文件之前，还包括如下步骤：根据stl格式文件中三角面片信息，预先设置三角形均匀化的目标参数，包括目标边长、最小角度和最小长度。
14、作为一个实例地，
15、根据本专利技术的实施方案，步骤s200包括如下步骤：
16、a、创建一个包含stl格式文件中所有数据点的超级多边形，在超级多边形中插入点p。
17、b、将p点与包含p点的三角形的三个顶点相连，形成三个新的三角形，对新的三角形逐个进行外接圆检测，判定新三角形的三角剖分满足delaunay三角剖分，转入步骤c。
18、c、再次插入另一个点p'，p'在包含p点的三角形之外，重复步骤b至将超级多边形中所有的三角形均进行delaunay三角剖分，得到均匀化后的stl文件。
19、优选地，步骤c之后还包括如下步骤：将均匀化后的stl文件导入hypermesh中，得到光顺化四面体网格模型。
20、优选地，步骤b判定新三角形的三角剖分满足delaunay三角剖分之后，还包括如下步骤：判定满足delaunay三角剖分后的三角形满足预设的均化参数，转入步骤c。
21、优选地，步骤b判定新三角形的三角剖分满足delaunay三角剖分之后，还包括如下步骤：判定满足delaunay三角剖分后的三角形不满足预设的均化参数，在不满足delaunay三角剖分的三角形中插入点q，将包含q点的三角形的三个顶点相连，形成三个新的三角形，转入步骤b。
22、根据本专利技术的实施方案，三角形均匀化后的目标边长为0.12mm、最小角度为45°、最小长度为0.09mm。
23、本专利技术还提供一种基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的制造方法，包括如下步骤：
24、设置材料属性信息，并将上述仿真方法得到的光顺化四面体网格模型信息和材料属性信息输入打印设备进行打印，得到多孔支架结构。
25、根据本专利技术的实施方案，设置材料属性信息包括如下步骤：采用johnson-cook材料本构模型对金属增材制造得到的三周期极小曲面结构的支架模型进行材料属性定义。
26、根据本专利技术的实施方案，johnson-cook材料本构模型的经验函数如下：
27、
28、其中y为有效屈服应力，εp为有效塑性应变，ε0为参考应变率。a、b、c、m和n是johnson-cook模型的五个材料物理性质常数，分别是初始屈服应力、硬化常数、应变速率常数、硬化指数和热软化指数。
29、根本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真方法，其特征在于，步骤S100包括如下步骤：输入三周期极小曲面函数表达式，设置表达式中相应的参数，生成具有三周期极小曲面多孔支架几何模型，多孔支架几何模型具有不同方向孔隙梯度变化。
3.根据权利要求2所述的基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真方法，其特征在于，所述Gyroid曲面的构型可以是skeletal-Gyroid构型或者sheet-Gyroid构型。
4.根据权利要求1或2所述的基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真方法，其特征在于，步骤S100之后，步骤S200之前，还包括如下步骤：输出步骤S100构建的多孔支架几何模型对应的具有三维点云信息和三角面片信息的STL格式文件。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真方法，其特征在于，步骤S200包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构
7.一种基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的制造方法，其特征在于，设置材料属性信息包括如下步骤：采用Johnson-Cook材料本构模型对金属增材制造得到的三周期极小曲面结构的支架模型进行材料属性定义。
9.根据权利要求8所述的基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的制造方法，其特征在于，所述Johnson-Cook材料本构模型的经验函数如下：
10.一种三周期极小曲面支撑结构，其采用权利要求7-9任一项所述的制造方法制备得到。
...【技术特征摘要】
1.一种基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真方法，其特征在于，步骤s100包括如下步骤：输入三周期极小曲面函数表达式，设置表达式中相应的参数，生成具有三周期极小曲面多孔支架几何模型，多孔支架几何模型具有不同方向孔隙梯度变化。
3.根据权利要求2所述的基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真方法，其特征在于，所述gyroid曲面的构型可以是skeletal-gyroid构型或者sheet-gyroid构型。
4.根据权利要求1或2所述的基于网格划分的三周期极小曲面支撑结构的仿真方法，其特征在于，步骤s100之后，步骤s200之前，还包括如下步骤：输出步骤s100构建的多孔支架几何模型对应的具有三维点云信息和三角面片信息的stl格式文件。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于网格划...
【专利技术属性】
技术研发人员：林锦新，范泽锋，卢衍锦，黄婷婷，
申请(专利权)人：闽都创新实验室，
类型：发明
国别省市：
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