一种基于层合板理论的复合材料接骨板优化设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106547994A(43)申请公布日2017.03.29(21)申请号201611092944.1(22)申请日2016.12.01(71)申请人哈尔滨理工大学地址150080黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号(72)发明人王沫楠王新宇杨宁(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书5页说明书10页附图2页(54)发明名称一种基于层合板理论的复合材料接骨板优化设计方法(57)摘要本发明公开了一种基于层合板理论的复合材料接骨板优化设计方法，具体包括选取复合材料接骨板的材料对其进行初步结构设计以及对层合板铺层数量、铺设顺序以及铺层方向等进行优化设计，对满足条件结构基于对称层合板理论编写代码求解轴向刚度、弯曲刚度及扭转刚度，合理选取弯曲刚度值并将结构划分若干区间计算刚度系数值，将若干最大刚度系数的结构保留并应用到骨折愈合仿真模型中进行有限元分析，选出最优的设计方案，本发明对复合材料接骨板进行全面优化设计并巧妙利用骨折固定时的应力遮挡现象，减小轴向刚度并最大化接骨板的弯曲和扭转刚度，降低了应力遮挡对骨折愈合的不利影响。CN106547994ACN106547994A权利要求书1/5页1.一种基于层合板理论的复合材料接骨板优化设计方法，包括如下步骤：步骤一：选取复合材料接骨板的材料对其进行初步结构设计；步骤二：复合材料接骨板的结构本质为层合板结构，根据层合板设计原则，对复合材料接骨板的结构进行优化设计；步骤三：去除所有可能结构中不满足层合板设计原则的结构；步骤四：对满足层合板设计原则的结构基于对称层合板的理论，用C语言在VS2013平台下编写代码，分别求解出其轴向刚度、弯曲刚度及扭转刚度；a.轴向刚度的计算：式中，EA为接骨板的轴向刚度，b为接骨板的宽度；b.弯曲刚度的计算：式中，EIyy为接骨板的弯曲刚度；c.扭转刚度的计算：式中，GJ为接骨板的扭转刚度；步骤五：根据步骤四的计算结果，去除弯曲刚度低于规定值的结构；步骤六：对满足层合板设计原则所有结构根据其弯曲刚度选择合适的间隔，将其划分为若干区间；步骤七：分别计算每个所述区间中所有结构的刚度系数，保留各区间中刚度系数值最高的一种结构；刚度系数的计算公式如下：式中，SEFi为不同结构接骨板的刚度系数，EAmin为轴向刚度的最小值，EAi为不同结构接骨板的轴向刚度，GJi为不同结构接骨板的扭转刚度，GJmax为扭转刚度的最大值；步骤八：将保留的结构应用到骨折愈合仿真模型中进行有限元分析,选出最优的接骨板结构，完成接骨板的优化设计。2.根据权利要求1所述的基于层合板理论的复合材料接骨板优化设计方法，其特征在于：所述步骤一中，所述复合材料接骨板外层材料为碳纤维和/或环氧树脂，内层材料为亚麻纤维和/或环氧树脂。3.根据权利要求1所述的基于层合板理论的复合材料接骨板优化设计方法，其特征在于：所述的步骤二中，所述优化设计首先根据实际人体骨折部位对接骨板总厚度进行合理设计，然后根据层合板设计原则对层合板铺层总数量、碳纤维和/或环氧树脂材料铺层的数量和亚麻纤维和/或环氧树脂材料铺层的数量、铺层的厚度、铺设顺序以及铺层方向进行优化设计，所述层合板设计原则如下：2CN106547994A权利要求书2/5页1)均衡对称铺设原则：将复合材料接骨板结构设计成对称层合板形式，且层合板铺设顺序必须关于层合板中平面对称；以避免生产过程中由于温度变化以及拉-剪、拉-弯耦合造成的翘曲变形，最大化层合板的抗弯强度；2)铺层定向原则：层合板中铺层方向θ，是相对参考轴为θ°方向的铺层，范围是从0°到90°，+θ°和-θ°铺层数量要相同，相邻铺层间的夹角小于45°，任意铺层方向的铺层数量比例少于60％，以最大化层合板的抗弯强度；3)铺层最小比例原则：为使复合材料的基体沿各个方向均不受载以及避免制造过程中过高的热膨胀系数导致翘曲变形，铺层组成的层合板其0°、90°铺层方向的铺层最小比例为10％；4)开口区铺层原则：在结构开口区应使相邻铺层的夹角≤45°，以减少层间应力；开口形状应尽可能采用圆孔，因为圆孔边应力集中较小；另外在开口时，切断的纤维应尽可能少；5)铺设顺序原则：主要从三方面考虑：应使各定向单层尽量沿层合板厚度均匀分布，避免将同一铺层角的铺层集中放置；如果不得不使用时，一般不超过4层，以减少两种定向层的开裂和边缘分层；如果层合板中含有±45°层、0°层和90°层，应尽量在+45°层和-45°层之间用0°层或90°层隔开，在0°层和90°层之间用+45°层或-45°层隔开，并应避免将90°层成组铺放，以降低层间应力；对于暴露在外的层合板，在表面铺设织物或±45°层，将具有较好的使用维护性，也可以改善层合板和压缩和抗冲击性能