摘要：规则三周期极小曲面(TPMS)常用于设计骨组织均质或梯度多孔结构,而变形三周期极小曲面的多孔结构,可改善其在一定方向上的力学性能.针对变形三周期极小曲面多孔结构的设计,提出一种基于变形三周期极小曲面多孔结构设计方法.通过改变TPMS三角函数参数表达式中的幅度因子,设计变形TPMS孔单元.探究幅度因子和阈值对孔隙形状和孔隙率的影响,建立孔隙参数与TPMS函数表达式参数之间的明确关系,提出变形TPMS多孔结构参数化设计方法.该方法采用Rhinoceros的Grasshopper插件实现,并设计输出不同孔隙率的多孔结构.结果表明,该方法可以控制多孔结构孔隙形状和孔隙率,设计误差满足允许范围,符合骨组织多孔结构设计要求.

摘要：为了设计符合工程设计参数要求的多孔结构模型,提出一种孔隙表征参数驱动的多孔结构建模思路,并以增材制造制备成形.首先,针对三周期极小化曲面(TPMS)的4种常用类型(P/D/G/I-WP),研究了TPMS数学参数对各类孔隙表征参数(孔隙率、比表面积和孔径大小)的影响,并建立了相关参数之间的映射关系模型;接着,提出了若干基于孔隙表征参数的TPMS多孔结构设计方法,包括单设计参数法、多设计参数法、嵌套设计法;最后,给出了相关的工程应用案例并进行Micro-CT测试实验.实验结果表明,所设计模型的孔隙表征参数可控,增材制造成形的模型样件受工艺影响,其精度存在一定偏差.

摘要：三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces, TPMS)多孔结构研究广泛,但变形TPMS多孔结构研究较少,而变形TPMS多孔结构在一定方向上的力学性能存在潜在优势。研究Gyroid单元多孔结构的参数化设计方法,采用激光选区熔化(selective laser melting, SLM)技术制备出孔隙率为60%和75%的常规和变形Gyroid单元多孔钛合金样件。通过Micro-CT观察样件的形貌特征,内部连通性良好,未发现有明显的结构断裂和孔隙堵塞。采用Instron电子万能材料试验机进行力学压缩试验,结果表明:孔隙率为60%的变形Gyroid单元多孔结构的抗压强度相比常规Gyroid单元多孔结构增加49.3%,弹性模量增加63.5%;孔隙率为75%时抗压强度增加40.5%,弹性模量增加70.5%。研究结果表明,在相同孔隙率的情况下,长轴在压缩方向上的变形Gyroid单元结构具有更优的力学性能。

摘要：以球形燃料核反应堆为工程应用背景,分别对直径4 mm、6 mm、8 mm颗粒堆积的多孔结构进行了流动沸腾可视化试验,在实验参数范围内得到了泡状流、泡状-弹状流、弹状流、弹状-环状流四种流型。获得了热流密度、流速、颗粒直径等对流型的影响规律。增加热流密度,汽泡数量增加,体积变大,变形、合并、分裂频繁;流速越高、颗粒越小,汽泡体积越小、数量越少。流速越高、球径越小发生相同流型所需要的热流密度越大。对Tung/Dhir模型进行修正得到了多孔结构内流动沸腾两相流流型图及各流型间的转变含气率。

摘要：为在模型内部生成模式可控的多孔结构,提出一种将二维孔隙模式转换到三维结构的设计方法.首先将孔隙设计模式分为孔隙分布和孔隙形状2类特征,然后使用卷积神经网络从训练集中提取孔隙分布特征,最后使用一个模式转换流程将孔隙分布转化到三维网格模型中.实验结果证明,该方法能够为多孔结构设计提供一个有效的机制.

摘要：多孔结构设计是影响使用性能的主要因素之一,优化多孔结构是减少质量的重要途径.利用静力学仿真分析不同板材内部结构力学性能的变化规律及特点.采用以色列Objet Eden250光固化设备,对Vero White型光敏树脂进行不同结构光固化成型,利用AG-Xplus电子万能试验机测试了试样抗压性能,并与仿真结果对比.研究结果表明,多孔结构的抗压强度随着孔隙率的升高而降低,不同结构的多孔结构的抗压强度的变化范围在15~70 MPa.蜂窝状结构的性能优于六面体结构,六面体结构优于八面体结构.研究结果与理论结果基本一致,为多孔结构在增材制造的成功应用提供了理论依据和实验依据.

摘要：为解决组织工程骨支架多孔结构设计问题,提出一种基于体素和三周期极小曲面的骨支架设计方法。采用隐函数表达的三周期极小曲面作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数及Log-Sigmoid函数的方法,构建不同结构的三周期极小曲面孔隙单元;采用逆向几何求交体的体素化算法,对三角网格模型进行空间单元划分,进而确定目标装配区域;再通过形函数坐标变换,将孔隙单元映射到空间单元中,从而构建空间域多孔结构;最后采用布尔运算得到具有多孔结构的支架模型。实例结果表明,所提设计方法能构建孔隙结构可控的多孔模型,从而为组织工程骨支架设计提供一种可行的方法。

摘要：针对宏观曲面结构上多孔结构单胞构型与设计域外形不匹配,导致曲面结构优化困难的问题,提出一种基于联合仿真的曲面共形多孔结构拓扑优化方法。基于三周期极小曲面隐式水平集函数,实现多孔结构的参数化建模。采用等参单元法理论,建立自然坐标系到笛卡儿坐标系的映射关系,实现曲面多孔结构的共形建模。构造线性插值函数,保证多孔结构单胞之间的C0连续。引入可变切割水平集函数,建立MATLAB与ANSYS联合仿真的多孔结构拓扑优化框架。数值算例表明:所提方法可有效实现曲面多孔结构的拓扑优化设计,确保多孔结构单胞与设计域外形的匹配,提升多孔结构的力学性能。

摘要：传统金属过滤器的制造工序复杂、开发周期长,对于一些特殊过滤装置难以实现快速迭代设计和制造。压降性能是过滤器的重要评价指标之一,而过滤器结构在流体压力较大时,也需要同时考虑其力学性能。为解决上述问题,基于隐式曲面函数夹断优化函数,设计并通过激光选区熔化成形技术制备四种经典隐式曲面多孔结构过滤器,研究对比其压缩性能和压降性能。研究结果表明,Gyroid、Diamond和IWP三种隐式曲面多孔结构的压缩曲线属于弯曲主导型结构变形方式,Primitive多孔结构的压缩曲线属于拉伸主导型结构变形方式,且Primitive结构具有最高的压缩弹性模量和屈服强度,同时拟合四种隐式曲面多孔结构的Gibson-Ashby修正预测模型。利用优化后的隐式曲面结构函数,设计多孔过滤器,其压降分析结果表明,Primitive的压降值最低,流体阻力最小,因此Primitive结构可作为过滤器最优的设计单元体类型。分析隐式曲面多孔过滤器结构的力学性能和压降性能,揭示其压降变化机理,为新型过滤器结构设计提供参考。

摘要：为满足医学上多孔植入体的力学性能和生物相容性要求,研究一种利用Voronoi-Tessellation算法生成可控多孔结构的参数化设计方法。分析了以孔棱直径、不规则度及单元距离为结构参数,以弹性模量、抗压强度及孔隙率为响应目标的Box-Behnken设计。结合灰色关联分析,得到多响应目标的最佳结构参数,并建立了灰色关联度预测模型,通过方差分析验证了模型的准确性。结果表明,孔棱直径是影响多孔结构性能最显著的因素。不规则多孔结构的最佳结构参数为孔棱直径0.3 mm,不规则度0.5,单元距离2 mm。得到不规则多孔结构的弹性模量为2.987 GPa,抗压强度为210.048 MPa,孔隙率为89.43%,灰色关联度为0.7895,优化结果与预测结果的符合程度高,误差为1.2%,表明该优化方法切实可行。