基于3D打印多孔支架和植入体的结构设计研究进展 被引量：12

1

作者 赵春伶 贾少薇 +2 位作者 李剑 张睿 宫赫 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第4期446-452,共7页

支架或植入体的弹性模量过高会产生应力遮挡效应,引发骨吸收以及后期支架或植入体松动等问题。多孔支架和植入体可以根据需要调整其孔隙率和弹性模量,从而减小应力遮挡,同时多孔结构有利于骨组织的长入,利于骨整合。分别介绍3D打印多孔... 支架或植入体的弹性模量过高会产生应力遮挡效应,引发骨吸收以及后期支架或植入体松动等问题。多孔支架和植入体可以根据需要调整其孔隙率和弹性模量,从而减小应力遮挡,同时多孔结构有利于骨组织的长入,利于骨整合。分别介绍3D打印多孔支架和植入体3种基本结构(均匀多孔结构、类骨小梁结构和功能梯度结构)的设计方法,以及基于计算机辅助设计、隐式曲面、图像、拓扑优化的设计方法,为解决应力遮挡问题和设计3D打印多孔支架和植入体提供参考建议。 展开更多

关键词 多孔支架 应力遮挡 功能梯度结构 3D打印 植入体

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温度场下功能梯度圆锥壳-环板振动特性分析

2

作者 左朋 石先杰 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期709-716,共8页

针对功能梯度圆锥壳-环板组合结构振动问题,本文采用一阶剪切变形理论和Rayleigh-Ritz法分析了温度场下组合结构的振动特性。组合结构位移变量采用谱几何法来表征,考虑材料参数与温度相关并引入人工边界弹簧建立了组合结构振动特性分析... 针对功能梯度圆锥壳-环板组合结构振动问题,本文采用一阶剪切变形理论和Rayleigh-Ritz法分析了温度场下组合结构的振动特性。组合结构位移变量采用谱几何法来表征,考虑材料参数与温度相关并引入人工边界弹簧建立了组合结构振动特性分析模型。数值算例中,通过将文中求解结果与文献解和有限元法结果进行对比验证了模型的正确性,进而分析尺寸、材料、温度和连接位置等参数对结构振动特性的影响。研究结果表明:组合结构基频随厚度增加而增加,随着幂律指数、半顶角和温度场参数增加而降低,随环板内径和连接位置变化会呈现非单一变化趋势。 展开更多

关键词 谱几何法 温度场 功能梯度结构 圆锥壳-环板组合结构 自由振动 一阶剪切变形理论 边界弹簧 结构基频

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功能梯度材料吸能盒结构设计及优化

3

作者 张庆永 王宇超 王辉 《机械强度》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期371-380,共10页

传统的吸能盒结构,碰撞过程无法实现稳定有序折叠溃缩,同时存在单位质量吸能效果差的缺点,限制了汽车安全性能的提高。引入一种功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)结构吸能盒,即在传统316L不锈钢基体上添加铝合金成分形成... 传统的吸能盒结构,碰撞过程无法实现稳定有序折叠溃缩,同时存在单位质量吸能效果差的缺点,限制了汽车安全性能的提高。引入一种功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)结构吸能盒,即在传统316L不锈钢基体上添加铝合金成分形成梯度材料结构,同时仿照竹节虫胫骨截面结构对其横截面形状进行优化,并基于优化拉丁超立方体试验设计和响应面模型对竹节虫胫骨横截面的具体结构进行多目标优化。仿真结果表明,优化后的仿生功能梯度材料吸能盒能够实现稳定的从头部至尾部的折叠溃缩。和传统吸能盒相比,仿生结构功能梯度吸能盒单位质量吸能效果提升,能够有效削弱碰撞对车身的损伤。 展开更多

关键词 吸能盒 功能梯度结构 仿生截面 结构设计 多目标优化

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多区域变参数功能梯度结构拓扑优化方法

4

作者 李智忠 刘龙 +3 位作者 王天赐 彭翔 王柏村 易兵 《计算机集成制造系统》 EI CSCD 北大核心 2024年第6期1948-1958,共11页

为了在构件中构造形态多变和性能各异的功能梯度结构,提出一种多区域变参数的功能梯度结构拓扑优化方法,在保证构建结构单元连续性的同时,构建了多区域变参数的功能梯度结构。将设计域划分为多个区域,采用Helmholtz PDE方程对每个区域... 为了在构件中构造形态多变和性能各异的功能梯度结构,提出一种多区域变参数的功能梯度结构拓扑优化方法,在保证构建结构单元连续性的同时,构建了多区域变参数的功能梯度结构。将设计域划分为多个区域,采用Helmholtz PDE方程对每个区域的密度变量进行过滤处理,然后施加不同的局部体积约束;将局部约束整合到传统变密度拓扑优化方法中,达到了不同区域生成不同功能梯度微结构的效果,同时区域之间的结构保持了良好的连续性。最后,通过悬臂梁和简支梁多区域功能梯度结构拓扑优化设计和制造,验证了所提方法的有效性。 展开更多

关键词 拓扑优化 功能梯度结构 多区域 变参数

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基于一阶剪切变形理论的CNTRC板的自由振动分析 被引量：5

5

作者 薛婷 秦现生 +2 位作者 张顺琦 王战玺 白晶 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第24期45-50,共6页

基于Reissner-Mindlin一阶剪切变形假设(First-order shear deformation theory, FSDT),考虑碳纳米管(Carbon nanotube, CNT)功能梯度材料的不均匀性,建立CNT梯度增强复合薄板结构的自由振动分析模型,模型中考虑了CNT增强体的分布形式... 基于Reissner-Mindlin一阶剪切变形假设(First-order shear deformation theory, FSDT),考虑碳纳米管(Carbon nanotube, CNT)功能梯度材料的不均匀性,建立CNT梯度增强复合薄板结构的自由振动分析模型,模型中考虑了CNT增强体的分布形式、体积率、边界条件及结构的边厚比等因素对该复合薄板结构自由振动响应的影响。克服了经典板理论中不考虑剪切应力的缺陷,通过四边简支(Simply supported, SSSS)板的振动响应特征验证模型的准确性,利用所建模型对CNT梯度增强薄板结构进行了自由振动分析及模态分析。研究表明:CNT增强复合薄板结构的自振频率随着CNT体积率的增加发生几乎线性化的增长;不同的CNT分布形式对振动频率的影响:X型分布的功能梯度板的自振频率最大,O型分布的功能梯度板的自振频率最小,均一及V型分布的固有频率大小介于两者之间。边界条件对板振动形态的影响:由于四边固支(Clamped,CCCC)的边界条件比SSSS约束性更强,其对于边厚比的变化更灵敏,并且随着宽厚比值的增大,边界条件产生的影响越来越大。CNT增强体分布形式、体积率、结构边厚比及边界条件对复合薄板结构自由振动的频率及振动模态有显著的影响。 展开更多

关键词 一阶剪切变形 碳纳米管 自由振动 模态分析 功能梯度结构

原文传递

高碾压混凝土重力坝功能梯度结构变形协调分析 被引量：5

6

作者 李明超 沈扬 +1 位作者 张梦溪 徐娜 《水力发电学报》 EI CSCD 北大核心 2018年第8期94-102,共9页

高碾压混凝土重力坝中不同功能分区结构界面处往往因材料特性突变而出现破坏与剥离等现象,给工程带来安全隐患。基于新型防渗材料HIAC的特性,在防渗层与主体RCC之间设置过渡层起到辅助防渗及改善分区变形协调的作用,设计了包含矩形、二... 高碾压混凝土重力坝中不同功能分区结构界面处往往因材料特性突变而出现破坏与剥离等现象,给工程带来安全隐患。基于新型防渗材料HIAC的特性,在防渗层与主体RCC之间设置过渡层起到辅助防渗及改善分区变形协调的作用,设计了包含矩形、二阶梯、三阶梯三种过渡层的功能梯度结构布置方案,从"变形协调"的角度出发,改变过渡层弹性模量,利用接触理论,分别研究结构整体与材料界面的应力变形规律。结果表明,当过渡层弹性模量高于主体RCC时,坝体中主拉应力处于较低水平;HIAC与RCC法向与切向变形协调状态良好,综合考虑推荐选用三阶梯过渡层,其弹模不宜低于主体RCC。所提出的变形协调分析方法为保证RCC重力坝的精益建造与安全运行提供新的评判手段。 展开更多

关键词 碾压混凝土重力坝 功能梯度结构 变形协调 有限元法 接触理论

原文传递

石墨烯增强功能梯度梁自由振动的解析解 被引量：1

7

作者 张靖华 司成龙 马浩 《兰州理工大学学报》 CAS 北大核心 2023年第2期49-55,共7页

基于Euler-Bernoulli梁理论,研究了石墨烯片增强功能梯度复合材料梁的自由振动特性.研究中考虑石墨烯片方向随机且均匀地散布在每层基体中,其含量沿厚度按照3种不同方式梯度变化.首先根据Halpin-Tsai力学模型和混合率法则得到该复合材... 基于Euler-Bernoulli梁理论,研究了石墨烯片增强功能梯度复合材料梁的自由振动特性.研究中考虑石墨烯片方向随机且均匀地散布在每层基体中,其含量沿厚度按照3种不同方式梯度变化.首先根据Halpin-Tsai力学模型和混合率法则得到该复合材料的等效物性参数,然后由Hamilton原理推导出石墨烯增强功能梯度梁的动力学控制微分方程,对其自由振动方程进行精确解析求解获得固有频率和模态的解析表达式,同时给出该复合材料梁的固有频率与相同边界条件均匀梁的固有频率之间的解析表达式,并且通过参数研究分析了石墨烯片的质量分数、几何形状和分布模式等对梁自由振动固有频率的影响. 展开更多

关键词 自由振动 功能梯度结构 石墨烯增强 梁

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骨支架多孔结构建模综述 被引量：4

8

作者 陈华伟 伍权 《现代制造工程》 CSCD 北大核心 2019年第6期147-153,共7页

3D打印技术的快速发展为复杂多孔骨支架的加工成型开创了条件,也使得组织工程支架研究工作重心从制造转向原型设计和高端个性定制。针对仿生骨支架复杂结构建模问题,重点介绍了造孔单元和功能梯度结构设计的研究现状,总结了现阶段仿生... 3D打印技术的快速发展为复杂多孔骨支架的加工成型开创了条件,也使得组织工程支架研究工作重心从制造转向原型设计和高端个性定制。针对仿生骨支架复杂结构建模问题,重点介绍了造孔单元和功能梯度结构设计的研究现状,总结了现阶段仿生骨支架数字化设计中存在的问题,并展望了未来可能的研究方向。 展开更多

关键词 数字化设计 仿生骨支架 3D打印 造孔单元 三周期最小化曲面 功能梯度结构

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功能梯度开孔平行四边形板的等几何振动分析 被引量：2

9

作者 钟锐 胡双卫 +1 位作者 秦斌 王青山 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第7期999-1005,共7页

针对功能梯度开孔平行四边形板的自由振动问题,本文基于一阶剪切变形层合理论,利用等几何法研究开矩形孔的功能梯度平行四边形板的振动特性。结构位移变量采用具备高阶连续性的非均匀有理B样条函数表征,并引入边界弹簧和坐标映射技术建... 针对功能梯度开孔平行四边形板的自由振动问题,本文基于一阶剪切变形层合理论,利用等几何法研究开矩形孔的功能梯度平行四边形板的振动特性。结构位移变量采用具备高阶连续性的非均匀有理B样条函数表征,并引入边界弹簧和坐标映射技术建立一般边界下功能梯度开孔板的自由振动模型。数值算例中,通过等几何法结果与有限元结果间的对比验证等几何法模型的正确性,进而分析梯度指数、边界约束、几何角度等对开孔板振动特性的影响。结果表明:板的频率参数随铝基成分增加而减小,边界刚度增大会使结构频率增大,角度对结构频率的影响与模态阶次、边界条件相关联。 展开更多

关键词 功能梯度结构 平行四边形板 矩形孔 等几何法 自由振动 非均匀有理样条 边界弹簧 坐标映射

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静水压力对粘弹性功能梯度结构力学性能的影响研究 被引量：2

10

作者 李华东 朱锡 +1 位作者 梅志远 张颖军 《功能材料》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第A03期445-448,451,共5页

研究了静水压力对粘弹性功能梯度材料与结构的力学性能的影响。基于粘弹性材料Boltzman-na积分型本构关系式,推导了静水压力作用下粘弹性功能梯度材料的本构关系,并假设其蠕变模量在结构厚度方向上连续变化,组分材料的体积分数呈幂律分... 研究了静水压力对粘弹性功能梯度材料与结构的力学性能的影响。基于粘弹性材料Boltzman-na积分型本构关系式,推导了静水压力作用下粘弹性功能梯度材料的本构关系,并假设其蠕变模量在结构厚度方向上连续变化,组分材料的体积分数呈幂律分布;在此基础上,研究了静水压力引起的粘弹性功能梯度结构横截面材料属性分布、厚度、刚度及功能梯度结构弯曲、屈曲和振动特性的变化,给出了恒定静水压力作用下,不同体积分数指数的粘弹性功能梯度结构厚度与刚度随时间变化的曲线。计算结果表明,在静水压力作用下,粘弹性功能梯度结构的厚度和刚度都发生了变化,并最终导致其弯曲、屈曲和振动性能都发生了较大的变化。 展开更多

关键词 功能梯度材料 功能梯度结构 静水压力 粘弹性 蠕变

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仿生功能梯度结构复合材料的研究现状

11

作者 阿拉腾沙嘎 蒙永昊 +2 位作者 冯勇 周振兴 潘真 《化工技术与开发》 CAS 2023年第12期32-37,共6页

当今社会,传统的复合材料已难以满足更多的应用需求,人们开始关注仿生功能梯度结构复合材料。研究者发现,许多生物材料具有明显的跨尺度、分级的复杂梯度结构,具备高强韧性的特点,这为人工制备新型仿生功能梯度材料带来重要启发。本文... 当今社会,传统的复合材料已难以满足更多的应用需求,人们开始关注仿生功能梯度结构复合材料。研究者发现,许多生物材料具有明显的跨尺度、分级的复杂梯度结构,具备高强韧性的特点,这为人工制备新型仿生功能梯度材料带来重要启发。本文综述了生物材料的复杂梯度结构和性能特点,总结了采用粉末冶金法、3D打印技术和冷冻铸造法制备仿生功能梯度结构复合材料的研究进展,重点阐述了仿生功能梯度结构复合材料的结构与性能之间的关系,并展望了其发展前景。 展开更多

关键词 仿生功能梯度结构 复合材料 结构与性能

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电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术及应用 被引量：8

12

作者 兰红波 赵佳伟 +2 位作者 钱垒 许权 周贺飞 《航空制造技术》 2019年第1期38-45,共8页

微纳尺度3D打印是增材制造的前沿和研究热点,在航空航天、组织工程、生物医疗、微纳机电系统、新材料(超材料、轻量化材料、智能材料、复合材料)、新能源、柔性电子、印刷电子、结构电子、微纳光学器件、微流控器件、可穿戴电子产品、... 微纳尺度3D打印是增材制造的前沿和研究热点,在航空航天、组织工程、生物医疗、微纳机电系统、新材料(超材料、轻量化材料、智能材料、复合材料)、新能源、柔性电子、印刷电子、结构电子、微纳光学器件、微流控器件、可穿戴电子产品、软体机器人等诸多领域和行业有着非常广泛的应用。介绍了课题组近年提出并建立的一种微纳尺度增材制造新工艺——电场驱动喷射沉积微纳3D打印,并论述了近年研究进展和取得的重要成果,介绍了5个工程应用案例。电场驱动喷射沉积微纳3D打印为微纳尺度3D打印和微纳制造提供了一种全新的解决方案,具有良好的工业化应用前景。 展开更多

关键词 微纳尺度3D打印 电场驱动喷射沉积 微纳增材制造 多材料多尺度3D打印 功能梯度材料/结构

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功能梯度多孔结构拓扑优化的混合水平集方法 被引量：4

13

作者 付君健 舒正涛 +3 位作者 田启华 杜义贤 周祥曼 徐勇 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第17期249-260,共12页

为解决传统功能梯度多孔结构单胞分布形式单一、几何连续性差的问题,提出了一种功能梯度多孔结构拓扑优化的混合水平集方法。引入权重系数构造隐式水平集函数的仿射,实现了梯度微结构单胞与宏观结构隐式建模。建立全局更新-局部插值的... 为解决传统功能梯度多孔结构单胞分布形式单一、几何连续性差的问题,提出了一种功能梯度多孔结构拓扑优化的混合水平集方法。引入权重系数构造隐式水平集函数的仿射,实现了梯度微结构单胞与宏观结构隐式建模。建立全局更新-局部插值的设计变量更新策略,将几何连续性嵌入拓扑优化模型。以权重系数作为设计变量,结构体积分数为约束,建立了功能梯度多孔结构刚度拓扑优化模型,并采用优化准则算法进行求解。数值算例表明,本方法可有效实现功能梯度多孔结构拓扑优化,丰富了多孔结构单胞的梯度变化形式,保证了不同多孔结构之间的连续性。 展开更多

关键词 拓扑优化 功能梯度多孔结构 混合水平集法 几何连续性

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承载散热一体化的功能梯度多孔结构拓扑优化设计 被引量：4

14

作者 杜义贤 张跃 +3 位作者 付君健 田启华 周祥曼 王林军 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第7期1141-1150,共10页

针对多功能结构承载散热一体化需求,提出面向功能梯度多孔结构的拓扑优化设计方法.首先基于三周期极小曲面实现C0连续梯度多孔结构建模;然后引入数值均匀化法计算多孔结构宏观等效弹性张量和宏观等效热传导张量;最后以多孔结构体积分数... 针对多功能结构承载散热一体化需求,提出面向功能梯度多孔结构的拓扑优化设计方法.首先基于三周期极小曲面实现C0连续梯度多孔结构建模;然后引入数值均匀化法计算多孔结构宏观等效弹性张量和宏观等效热传导张量;最后以多孔结构体积分数为设计变量,建立散热弱度和结构柔度最小化加权多目标拓扑优化模型,采用优化准则法求解.数值算例结果表明,相比于单目标拓扑优化设计,该方法通过牺牲较低的散热性能换取较大的承载性能提升,显著地提高了多孔结构的综合性能. 展开更多

关键词 拓扑优化 极小曲面 功能梯度多孔结构 数值均匀化法 承载散热一体化

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功能梯度磁电弹耦合结构中的间隙波

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作者 赵星 刘赛 刘金喜 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2014年第3期382-388,共7页

研究了由均匀磁电弹半空间和功能梯度磁电弹层组成的耦合结构中间隙波的传播特性.假定功能梯度层的材料性能沿厚度方向呈指数变化,且其表面机械自由,但承受两种电磁边界条件.首先推导了频散方程,然后结合数值算例分析了功能梯度层材料... 研究了由均匀磁电弹半空间和功能梯度磁电弹层组成的耦合结构中间隙波的传播特性.假定功能梯度层的材料性能沿厚度方向呈指数变化,且其表面机械自由,但承受两种电磁边界条件.首先推导了频散方程,然后结合数值算例分析了功能梯度层材料性能的梯度变化、厚度及电磁边界条件对相速度的影响,结果对功能梯度磁电弹材料在声波器件中的应用具有参考价值. 展开更多

关键词 功能梯度层状结构 磁电弹材料 间隙波 频散特性 相速度

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