不同参数三周期极小曲面夹层结构三点弯曲性能的有限元模拟 被引量：1

1

作者 吴耀中 王亚辉 +2 位作者 李学鹏 齐旭 王华伟 《机械工程材料》 CAS CSCD 北大核心 2024年第12期106-111,共6页

建立了Primitive型三周期极小曲面(P-TPMS)夹层结构三点弯曲的有限元模型,通过三点弯曲试验进行了验证;采用该有限元模型研究了胞元长度(8,12,24 mm)、P-TPMS结构相对密度(0.15,0.20,0.25)、面板厚度(1.5,2.0,2.5 mm)等结构参数对夹层... 建立了Primitive型三周期极小曲面(P-TPMS)夹层结构三点弯曲的有限元模型,通过三点弯曲试验进行了验证;采用该有限元模型研究了胞元长度(8,12,24 mm)、P-TPMS结构相对密度(0.15,0.20,0.25)、面板厚度(1.5,2.0,2.5 mm)等结构参数对夹层结构极限载荷和弯曲刚度的影响。结果表明:模拟得到的夹层结构的力-位移曲线整体变化趋势与试验结果基本吻合,极限载荷的相对误差为5.7%,验证了有限元模型的准确性。随着胞元长度的增加,夹层结构的极限载荷呈先升后降的趋势,当胞元长度为12 mm时极限载荷最大,较胞元长度为24 mm提高9.2%,弯曲刚度减小,胞元长度为8 mm的弯曲刚度较胞元长度为24 mm提高23.9%;随着P-TPMS结构相对密度或面板厚度的增加,夹层结构的极限载荷和弯曲刚度均增大,P-TPMS结构相对密度为0.25的极限载荷和弯曲刚度较相对密度为0.15分别提高91.4%和78.1%,面板厚度为2.5 mm的极限载荷和弯曲刚度较面板厚度为1.5 mm分别提高34.0%和38.7%。 展开更多

关键词 三周期极小曲面夹层结构 三点弯曲 结构参数 有限元模拟 极限载荷 弯曲刚度

在线阅读 下载PDF 职称材料

三周期极小曲面功能梯度点阵结构的动力学特性

2

作者 李媛 李洋 +1 位作者 班子豪 马翔宇 《机械工程材料》 北大核心 2025年第8期86-93,共8页

基于隐函数法设计了三周期极小曲面(TPMS)功能梯度点阵结构,建立了几何参数与相对密度的映射关系,并引入梯度指数调控点阵结构的密度分布;通过有限元仿真与单轴压缩试验标定等效力学参数,基于最小势能原理构建了TPMS功能梯度点阵结构的... 基于隐函数法设计了三周期极小曲面(TPMS)功能梯度点阵结构,建立了几何参数与相对密度的映射关系,并引入梯度指数调控点阵结构的密度分布;通过有限元仿真与单轴压缩试验标定等效力学参数,基于最小势能原理构建了TPMS功能梯度点阵结构的动力学模型并进行数值求解,通过有限元仿真与试验模态分析对模型进行验证,采用建立的动力学模型分析了点阵结构的动力学特征。结果表明:采用建立的动力学模型数值求解得到的TPMS功能梯度点阵结构前四阶固有频率与有限元仿真结果的相对误差小于5%,前两阶固有频率与试验结果的相对误差小于6%,证实了模型的可靠性。求解得到TPMS功能梯度点阵结构的固有频率随相对密度增大而增大;随着梯度指数增大,xOy平面弯曲模态(一/三/七阶)频率先减后增再减,xOz平面弯曲模态(二/四/八阶)及纵向模态(六阶)频率下降。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 梯度点阵结构 等效力学参数 动力学模型

在线阅读 下载PDF 职称材料

基于三周期极小曲面结构的高密度储热器蓄放热特性研究

3

作者 夏天炜 王谙词 +2 位作者 句子涵 孙晓霞 胡定华 《化工学报》 北大核心 2025年第7期3605-3614,共10页

基于三周期极小曲面(TPMS)结构的流道设计具有复杂的几何构型和较大的换热面积,能显著强化流场扰动以提升换热性能。针对高储热功率等极端应用需求提出了基于TPMS结构的三通道高效相变储热换热器设计方案,并采用数值模拟方法,以传热系数... 基于三周期极小曲面(TPMS)结构的流道设计具有复杂的几何构型和较大的换热面积,能显著强化流场扰动以提升换热性能。针对高储热功率等极端应用需求提出了基于TPMS结构的三通道高效相变储热换热器设计方案,并采用数值模拟方法,以传热系数、Nusselt数、单位长度压降、摩擦系数、归一化换热评估参数j因子以及归一化综合性能评估参数η因子等为评估标准,对比分析不同构型的换热、流阻以及储热特性。结果表明:换热与流阻性能均随着孔隙度的增大而提升,同一孔隙度下Diamond型结构的传热系数更高,而Schwarz型结构的Nusselt数更高;储热密度随孔隙度的增大而下降,但储热功率密度随孔隙度的增大而提升,Schwarz型85%孔隙度结构的储热功率密度高达185.6 MW·m^(-3)。研究结果可为设计新型高效潜热储热系统提供参考。 展开更多

关键词 计算流体力学 对流 传热 三周期极小曲面 相变储热

在线阅读 下载PDF 职称材料

LPBF增材制造WE43镁合金三周期极小曲面结构性能研究

4

作者 宋春禄 国凯 +3 位作者 石浩 黄晓明 杨斌 孙杰 《激光杂志》 北大核心 2025年第2期17-28,共12页

镁合金良好的生物相容性、可降解特性以及与人体骨骼相近的密度与弹性模量等特性使其在生物医学领域具有广阔的应用前景;增材制造技术为生产复杂形状的镁合金多孔结构植入物提供了有效的途径。然而,镁合金低熔点、易气化等特性为增材制... 镁合金良好的生物相容性、可降解特性以及与人体骨骼相近的密度与弹性模量等特性使其在生物医学领域具有广阔的应用前景;增材制造技术为生产复杂形状的镁合金多孔结构植入物提供了有效的途径。然而,镁合金低熔点、易气化等特性为增材制造带来巨大困难。因此,从设计方法和工艺两个方面对激光粉末床熔融(LPBF)增材制造WE43镁合金三周期极小曲面结构(TPMS)的成形质量开展研究,分析了不同TPMS结构和LPBF工艺参数对孔隙率、成形精度等的影响,进一步进行了TPMS结构压缩力学性能测试,并进行了TPMS多孔结构的体外降解性能研究。获得了TPMS结构类型与成形质量、压缩力学性能间的关系,分析了TPMS结构类型对体外降解速率的影响。研究表明:网络状TPMS结构相比于具有相同设计孔隙率的片状TPMS结构具有更好的成形质量和压缩力学性能,片状TPMS结构比网络状TPMS结构承受大变形的能力更强;TPMS结构的降解速率均呈现出先增大后减小的现象,且降解速率与实际孔隙率存在正相关的关系,在第12 h时片状TPMS结构已失去结构完整性。 展开更多

关键词 WE43镁合金 激光粉末床熔融 三周期极小曲面 孔隙率

在线阅读 下载PDF 职称材料

Gyroid三周期极小曲面换热构件流动换热特性

5

作者 王兆霖 张志刚 +6 位作者 周静 高琛 彭克臣 姜敏迪 奚溪 徐胜利 刘红 《化工进展》 北大核心 2025年第8期4454-4462,共9页

以三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)Gyroid胞元构造微通道换热器,通过数值模拟方法分析其流动换热特性。对Gyroid胞元的数学描述及结构特征进行了阐述,并对不同尺寸的Gyroid胞元填充的高温换热器换热构件进行了模... 以三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)Gyroid胞元构造微通道换热器,通过数值模拟方法分析其流动换热特性。对Gyroid胞元的数学描述及结构特征进行了阐述,并对不同尺寸的Gyroid胞元填充的高温换热器换热构件进行了模拟计算,将结果进行对比分析并生成了流动换热经验关联式。为了降低压降,提出各向异性Gyroid胞元结构并研究其对流动换热特性的影响。研究结果表明:胞元尺寸越小,Gyroid的换热特性越好,但压降随之增大;研究确定了适用于G型胞元结构的流动换热经验关联式,为TPMS换热器设计提供了基础;在各向异性胞元中,增大流向尺寸可以提升流动换热综合性能,但会牺牲一部分换热性能;减小展向尺寸几乎不影响综合性能,可以同时减小体积和单位长度压降,并提高单位体积换热量。因此,需要综合考虑设计需求。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 Gyroid胞元 微通道 数值模拟 换热构件

在线阅读 下载PDF 职称材料

基于三周期极小曲面的梯度多孔支架力学及渗透性能研究

6

作者 秦世坤 段明德 +2 位作者 梁士杰 张辉 张壮雅 《机械强度》 北大核心 2025年第3期51-59,共9页

为构建具有良好生物学性能的骨支架结构,基于三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)设计不同孔隙率、单胞尺度下的P型、FRD型匀质多孔支架,以及P&FRD梯度多孔支架;并通过试验和有限元仿真的方法,探究单胞类型、孔... 为构建具有良好生物学性能的骨支架结构,基于三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)设计不同孔隙率、单胞尺度下的P型、FRD型匀质多孔支架,以及P&FRD梯度多孔支架;并通过试验和有限元仿真的方法,探究单胞类型、孔隙率及单胞尺度对TPMS多孔支架力学和生物学性能的影响。研究结果表明,基于TPMS建立的匀质和梯度多孔支架内部孔道具有良好的连通性;多孔支架的力学性能随着孔隙率的增加而降低,但渗透性则随着孔隙率的增加而提高;增大单胞尺度可以明显提高多孔支架的渗透性;梯度多孔支架的渗透率还受渗流方向的影响;梯度多孔支架能综合各匀质单胞结构的性能特点,在支架不同区域表现出不同的力学和生物学性能,更接近人体骨骼的结构和生物学性能。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 梯度多孔支架 力学性能 渗透性

在线阅读 下载PDF 职称材料

增材制造三周期极小曲面换热器流动传热特性实验

7

作者 苏烯元 张月亮 +1 位作者 饶宇 王心彤 《推进技术》 北大核心 2025年第9期192-200,共9页

为提高燃气轮机回热循环的热效率,本文针对微型燃气轮机对紧凑、高效、轻质换热器的迫切需求设计了一款基于三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)的晶格换热器,换热器基于模块化的设计与加工理念,可以大幅度减少加工周... 为提高燃气轮机回热循环的热效率,本文针对微型燃气轮机对紧凑、高效、轻质换热器的迫切需求设计了一款基于三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)的晶格换热器,换热器基于模块化的设计与加工理念,可以大幅度减少加工周期,加快设计迭代速度。采用选择性激光融化(Selective Laser Melting,SLM)增材制造技术得到了不锈钢材料加工的换热器单元样机,并开展了单元样机的稳态流动传热实验。实验结果表明,在冷流体雷诺数200h<800内,换热器的热效率为0.65~0.74,同时,在相同的雷诺数下,TPMS晶格换热器的Nu数相较菱形八胞体多孔晶格换热器和圆形针翅片换热器可依次提升27%与43%。采用综合性能评价因子(Performance Evaluation Coefficient,PEC)与体积功率密度(Volume-Based Power Density,VBPD)对TPMS晶格换热器进行综合评价,在流量较大的情况下,TPMS晶格换热器的综合性能相较于印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)和圆形针翅片换热器依次提升了71%与43%。另外,较小的晶格尺寸有助于在低雷诺数下提高体积功率密度,但也会带来更大的压损。本文设计的TPMS换热器能够满足微型燃气轮机等领域对紧凑、高效、轻质换热器的需求。 展开更多

关键词 微型燃气轮机 三周期极小曲面 增材制造 流动传热特性 稳态实验

在线阅读 下载PDF 职称材料

基于三周期极小曲面的管道爬行机器人

8

作者 梁加龙 罗凯 +1 位作者 李德臣 陈飞飞 《科学技术与工程》 北大核心 2025年第3期1133-1141,共9页

针对流体运输中的小管径管道检测与维护任务,设计并研制了一种小尺寸软体气动管道爬行机器人。该机器人采用解析隐式三周期极小曲面偏置技术,形成具有厚度的实体结构,并通过调整隐式方程参数实现结构刚度的各向异性。在此基础上,设计了... 针对流体运输中的小管径管道检测与维护任务,设计并研制了一种小尺寸软体气动管道爬行机器人。该机器人采用解析隐式三周期极小曲面偏置技术,形成具有厚度的实体结构,并通过调整隐式方程参数实现结构刚度的各向异性。在此基础上,设计了径向和纵向变形驱动器,以满足机器人在管道内的灵活运动需求。为优化机器人性能,提出了一种基于MATLAB、Rhino和ABAQUS的联合参数优化框架,并利用Python脚本实现自动化参数优化流程。通过这一框架,可以有效提高机器人的运动性能和适应性。基于两种变形驱动器,设计了管道爬行机器人的整体结构,并详细阐述了制造方法和运动控制步态。实验结果表明,所设计的管道机器人能够在两种不同姿态以及一定载荷条件下稳定地沿管道运动,验证了联合参数优化框架的可行性。研究成果为后续管道爬行机器人的参数化设计和优化研究提供了有价值的参考,有助于推动软体机器人在小管径管道检测与维护领域的应用发展。 展开更多

关键词 管道爬行机器人 三周期极小曲面 驱动器结构参数优化 软体机器人

在线阅读 下载PDF 职称材料

基于增材制造的三周期极小曲面结构关键力学性能研究进展 被引量：2

9

作者 黄心语 汤华远 王磊 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期3099-3115,共17页

三周期极小曲面结构是一类具有光滑连续曲面和高比表面积的特殊多孔结构,具有承载能力强、能量吸收率高、疲劳性能好等优异性质,在航空航天、生物医学和隔声吸声等诸多领域有着广泛的应用.增材制造技术在制造复杂拓扑结构方面具有独特优... 三周期极小曲面结构是一类具有光滑连续曲面和高比表面积的特殊多孔结构,具有承载能力强、能量吸收率高、疲劳性能好等优异性质,在航空航天、生物医学和隔声吸声等诸多领域有着广泛的应用.增材制造技术在制造复杂拓扑结构方面具有独特优势,为三周期极小曲面结构的制造提供了有力工具.然而增材制造过程中也引入诸多缺陷,对结构的力学性能产生重要影响.全面深入地研究增材制造三周期极小曲面结构的力学性能,对评价和预测结构性能、扩宽其在工程中的应用具有重要意义.首先从结构形式、特点及应用领域等方面对三周期极小曲面结构进行了介绍,重点针对静态压缩吸能、动态抗冲击和疲劳断裂等关键力学性能,综述了近期的重要进展.围绕三周期极小曲面结构的隔声吸声性质和热交换性能,亦进行了讨论.其次,以选区激光熔化与选区激光烧结为例,介绍了增材制造制备三周期极小曲面结构的主要方法.再次,结合增材制造技术,讨论制造过程中引入的缺陷对三周期极小曲面结构力学性能的影响,包括残余应力、表面粗糙度和内部微孔洞等.最后,结合实际应用对该领域面临的主要困难和挑战进行总结,同时展望了未来的研究方向. 展开更多

关键词 三周期极小曲面结构 增材制造 力学性能 残余应力 缺陷

在线阅读 下载PDF 职称材料

3D打印三周期极小曲面多孔钽仿生骨支架结构设计及力学性能研究

10

作者 时艺 乌日开西·艾依提 张宇涛 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第12期197-207,共11页

为了实现植入物与人体骨在生物力学和细胞相容性方面的匹配,综合评价了钽点阵结构的力学性能和渗透性能,以寻求可应用于钽多孔骨支架的最佳点阵结构。基于三周期极小曲面的不同建模方法,设计了6种类型的单元体结构,通过选区激光熔化工... 为了实现植入物与人体骨在生物力学和细胞相容性方面的匹配,综合评价了钽点阵结构的力学性能和渗透性能,以寻求可应用于钽多孔骨支架的最佳点阵结构。基于三周期极小曲面的不同建模方法,设计了6种类型的单元体结构,通过选区激光熔化工艺制备了相关钽点阵结构试样。通过准静态压缩试验获得点阵结构的力学性能,并记录破坏过程;基于有限元软件Abaqus建立相对应的压缩模型,获取压缩过程中应力应变的变化;利用COMSOL软件对点阵结构的渗透性能进行模拟分析。结果表明:片状结构的弹性模量、屈服强度和能量吸收均高于杆状结构,渗透率则低于杆状结构;G型和F-KS型杆状结构在50%应变下出现了脆性断裂的裂口;6种钽点阵结构的弹性模量为3.8~6.1 GPa,屈服强度为47~107 MPa,介于皮质骨和松质骨的范围内;6种结构的渗透率为6.5×10^(-10)~3.97×10^(-9)m^(2),均在骨小梁的渗透率范围内。研究结果表明,所设计的钽点阵结构适用于骨支架,综合性能最好的是G型片状结构。 展开更多

关键词 3D打印 选区激光熔化 三周期极小曲面 多孔钽 骨支架 渗透性

在线阅读 下载PDF 职称材料

功能梯度三周期极小曲面静动态力学特性 被引量：2

11

作者 程乾 尹剑飞 +1 位作者 温激鸿 郁殿龙 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期2646-2658,共13页

功能梯度设计能够有效提高结构的力学特性及吸能性能.为探讨功能梯度极小曲面结构在静动态载荷下的力学响应以及梯度壁厚分布方式对其力学特性的影响规律,构建了包含线性梯度和多种非线性梯度(对数梯度、Sigmoid梯度以及指数梯度)Gyroi... 功能梯度设计能够有效提高结构的力学特性及吸能性能.为探讨功能梯度极小曲面结构在静动态载荷下的力学响应以及梯度壁厚分布方式对其力学特性的影响规律,构建了包含线性梯度和多种非线性梯度(对数梯度、Sigmoid梯度以及指数梯度)Gyroid结构,通过3D打印光敏树脂制备样件开展了准静态压缩试验,采用LS-DYNA构建仿真模型并与试验结果对比,验证了仿真方法的有效性.研究发现,功能梯度壁厚分布方式显著影响结构力学性能及变形模式.在准静态压缩下,功能梯度结构呈现逐层压溃的变形模式,在接触端产生局部的致密化带,这一模式导致梯度结构吸能特性有一定提升.基于准静态测试数据以及试验变形模式分析,构建了Gibson-Ashby模型,揭示了均质结构弹性模量和屈服强度随等效密度的变化规律;利用该Gibson-Ashby模型,预测了功能梯度结构屈服强度,并构建等应力模型预测了梯度结构的弹性模量,预测结果与实验值具有良好的一致性.对于其动态力学性能,构建了4种冲击速度仿真模型,深入探讨不同冲击速度对梯度结构力学性能的影响规律.功能梯度结构在高速冲击下,由于其壁厚逐层递增的特性,其局部压溃现象更为明显,导致其在高速冲击下的致密化应变显著增大,其吸能特性也有所提升.其中,对数梯度结构具有最高的屈服强度,而Sigmoid梯度结构具有最高的平均平台应力和吸能特性,其比吸能特性为13.01 J/g,相较于相对密度为45%的均质结构而言提升了45%.此外,基于刚性-完美塑性-锁定模型对梯度结构的动态平台应力进行拟合预测,拟合结果与仿真结果吻合度较高,为预测功能梯度结构的动态力学响应提供了计算方法. 展开更多

关键词 三周期极小曲面结构 功能梯度结构 动态冲击 力学性能 吸能特性

在线阅读 下载PDF 职称材料

基于体素和三周期极小曲面的骨支架多孔结构设计 被引量：15

12

作者 张壮雅 赵珂 +1 位作者 李跃松 段明德 《计算机集成制造系统》 EI CSCD 北大核心 2020年第3期697-706,共10页

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... 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。 展开更多

关键词 多孔结构 骨支架 三周期极小曲面 体素化

在线阅读 下载PDF 职称材料

变形三周期极小曲面多孔结构参数化设计 被引量：3

13

作者 石志良 王伟 高杰 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第6期970-976,共7页

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TPM... 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. 展开更多

关键词 三周期极小曲面 多孔结构 参数化设计 孔隙率

在线阅读 下载PDF 职称材料

基于三周期极小曲面的龙伯透镜设计

14

作者 高羡明 杨存磊 +2 位作者 赵逸飞 卢少辉 张跃 《机械设计》 CSCD 北大核心 2024年第11期50-57,共8页

基于三周期极小曲面多孔结构设计并采用3D打印技术制造了一种工作在X波段的龙伯透镜天线。首先,对I-WP型三周期极小曲面进行多孔结构的连续化梯度建模;然后,通过HFSS仿真软件获得不同体积分数的多孔结构的S参数,并基于S参数反演法得到... 基于三周期极小曲面多孔结构设计并采用3D打印技术制造了一种工作在X波段的龙伯透镜天线。首先,对I-WP型三周期极小曲面进行多孔结构的连续化梯度建模;然后,通过HFSS仿真软件获得不同体积分数的多孔结构的S参数,并基于S参数反演法得到不同体积分数的等效介电常数并对两者的结果进行拟合;最后,建立10 mm的离散梯度单元,得到了所需的梯度变化介电常数。根据以上分析设计了实际直径180 mm的龙伯透镜,通过CST仿真软件得到龙伯透镜天线的性能参数,与实测数据基本吻合。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 连续梯度多孔结构 S参数反演法 梯度介电常数 龙伯透镜

在线阅读 下载PDF 职称材料

三周期极小曲面结构设计及应用综述 被引量：5

15

作者 闫鑫 田李昊 +1 位作者 彭昊 吕琳 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第3期329-340,共12页

三周期极小曲面是一种隐函数表示的代数曲面,具有许多优良的性质.增材制造技术的快速发展极大地增强了复杂几何与拓扑结构的制造能力,三周期极小曲面作为几何建模工具越来越受到关注.首先,从数学表达、性质、应用以及几何设计方法等方... 三周期极小曲面是一种隐函数表示的代数曲面,具有许多优良的性质.增材制造技术的快速发展极大地增强了复杂几何与拓扑结构的制造能力,三周期极小曲面作为几何建模工具越来越受到关注.首先,从数学表达、性质、应用以及几何设计方法等方面对三周期极小曲面的研究现状进行介绍;其次,对三周期极小曲面在力学、传热传质、组织工程和声学等方面的性能及相关应用进行总结,从几何建模方法的角度对三周期极小曲面进行分类梳理,将现有工作分为规则单元法、参数单元法、区域拼接法以及整体优化法4类,对各方法特点进行分析;最后,结合实际应用对该领域面临的挑战进行总结,并展望未来工作与发展趋势. 展开更多

关键词 三周期极小曲面 几何建模 仿生结构 隐式曲面 增材制造

在线阅读 下载PDF 职称材料

基于Gyroid三周期极小曲面的多孔骨支架梯度结构设计与力学性能分析 被引量：3

16

作者 林昕 杨博 +1 位作者 朱锟鹏 张睿通 《武汉科技大学学报》 CAS 北大核心 2023年第2期109-117,共9页

针对人体骨骼与骨支架之间存在的应力屏蔽问题,基于Network型Gyroid多孔结构,提出一种孔隙率随径向和轴向发生梯度变化的多孔骨支架设计方法,并通过有限元仿真对不同孔隙率梯度下的多孔骨支架力学性能和渗透性进行分析。结果表明,当径... 针对人体骨骼与骨支架之间存在的应力屏蔽问题,基于Network型Gyroid多孔结构,提出一种孔隙率随径向和轴向发生梯度变化的多孔骨支架设计方法,并通过有限元仿真对不同孔隙率梯度下的多孔骨支架力学性能和渗透性进行分析。结果表明,当径向梯度变化量为40%时,随着平均孔隙率从50%增加到75%,径向孔隙率梯度相比于均质对多孔骨支架等效杨氏模量的提升幅度约从5.53%提高至17.26%,但对多孔骨支架压缩屈服强度的影响呈下降趋势,提升幅度约从3.57%降至0.69%;当平均孔隙率为75%时,轴向梯度变化量为40%的梯度骨支架比均质骨支架的等效杨氏模量和压缩屈服强度分别下降约61.25%和80.97%;径向梯度骨支架的渗透性优于均质骨支架和轴向梯度骨支架;采用Ti6Al4V材料制造的Network型Gyroid孔隙率梯度多孔骨支架的杨氏模量与密质骨的杨氏模量较为匹配,能有效减小骨支架与人体骨骼之间应力屏蔽的影响。 展开更多

关键词 多孔骨支架 三周期极小曲面 孔隙率梯度 等效杨氏模量 压缩屈服强度 渗透性 仿真分析

在线阅读 下载PDF 职称材料

基于三周期极小曲面和体素距离场的复杂轮廓点阵结构建模 被引量：4

17

作者 余学伟 李琳慧 +1 位作者 张涛 张正文 《重庆大学学报》 CSCD 北大核心 2022年第6期75-84,共10页

随着增材制造技术的快速发展,基于三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)的点阵结构因具有轻质高强度、连通性好、拓扑结构可控等优点,在结构轻量化设计、生物植入物中得到广泛应用。但TPMS点阵结构的建模存在过程繁琐... 随着增材制造技术的快速发展,基于三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)的点阵结构因具有轻质高强度、连通性好、拓扑结构可控等优点,在结构轻量化设计、生物植入物中得到广泛应用。但TPMS点阵结构的建模存在过程繁琐、易出错、计算时间长等问题,如何高效、稳定地建模出具有复杂轮廓的TPMS点阵结构成为亟待解决的问题。笔者基于TPMS和体素距离场提出了一种复杂轮廓TPMS点阵结构的建模方法。通过移动立方体法构建TPMS单元三角面片模型;基于点与几何模型的拓扑位置关系,将空间中的点体素化,并提取模型轮廓边界的点。通过计算边界点的距离场,并与TPMS的距离场进行布尔运算,实现复杂轮廓TPMS点阵结构的建模。实例验证表明,该方法能够高效、稳定地建模复杂轮廓TPMS点阵结构。 展开更多

关键词 增材制造 点阵结构 体素化 符号距离场 三周期极小曲面

在线阅读 下载PDF 职称材料

基于三周期极小曲面和等参单元法的骨支架建模方法研究 被引量：9

18

作者 张壮雅 赵珂 +1 位作者 杨晓峰 段明德 《机械设计与制造》 北大核心 2017年第11期234-237,241,共5页

生物骨支架是治疗骨组织缺损的理想方法,如何构建有利于细胞黏附、繁殖、新陈代谢等的微观孔隙结构是构建生物骨支架亟待解决的问题。基于三周期极小曲面和等参单元法,研究一种适合于生物骨支架的建模方法。基于移动立方体算法,线性差... 生物骨支架是治疗骨组织缺损的理想方法,如何构建有利于细胞黏附、繁殖、新陈代谢等的微观孔隙结构是构建生物骨支架亟待解决的问题。基于三周期极小曲面和等参单元法,研究一种适合于生物骨支架的建模方法。基于移动立方体算法,线性差值求解三周期极小曲面近似插值面,并结合拉普拉斯算子,构建三周期极小曲面单元;基于等参单元法,通过形函数坐标变换构建不规则形状孔隙曲面单元;基于模板法,局部网格加密构建不同尺度孔隙单元,并通过与实体轮廓模型布尔运算,构建出含有微观孔结构的生物骨支架实体模型。研究表明,利用三周期性极小曲面和等参单元法所构建的骨支架结构,可以实现对孔隙形状,尺度控制,为骨支架建模提供一种可行性的方法。 展开更多

关键词 骨支架 微观孔隙 三周期极小曲面 等参单元法 模板法

在线阅读 下载PDF 职称材料

三周期极小曲面多孔材料渗透率尺度特性研究 被引量：5

19

作者 吴桐 王清辉 徐志佳 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第5期1015-1024,共10页

三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)在多孔材料设计中的应用日益广泛,但其渗透性能的尺度特性缺乏研究。以4种常用的TPMS单元作为研究对象,在介绍其数学模型及孔隙率控制方法的基础上,建立基于CFD(computational flu... 三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)在多孔材料设计中的应用日益广泛,但其渗透性能的尺度特性缺乏研究。以4种常用的TPMS单元作为研究对象,在介绍其数学模型及孔隙率控制方法的基础上,建立基于CFD(computational fluid dynamics)的仿真分析模型;对不同孔隙率的TPMS单元和立方多孔结构进行数值仿真分析,明确了其尺度和渗透率之间定量关联规律,即在所选的尺度范围内,各类TPMS单元和立方多孔结构的渗透率是尺度的二次函数。对于TPMS多孔材料渗透性的设计,研究成果可以为TPMS单元类型和尺度的选择提供仿真方法支撑。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 渗透率 尺度特性 CFD 多孔材料

在线阅读 下载PDF 职称材料

杆状和片状三周期极小曲面模型孔隙特征与力学性能对比 被引量：8

20

作者 秦嘉伟 熊胤泽 +1 位作者 高芮宁 李祥 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期576-581,共6页

目的分析对比杆状与片状三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)模型孔隙特征与力学性能,构建高比表面积、低刚度和高强度的多孔结构。方法构建相同孔隙率的D、G、P 3种单元杆状TPMS与片状TPMS模型,对比模型的孔径、杆... 目的分析对比杆状与片状三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)模型孔隙特征与力学性能,构建高比表面积、低刚度和高强度的多孔结构。方法构建相同孔隙率的D、G、P 3种单元杆状TPMS与片状TPMS模型,对比模型的孔径、杆径、比表面积等孔隙特征;利用有限元方法分析模型的力学性能;采用增材制造技术制作多孔钛样件,利用显微镜和扫描电镜观测多孔钛孔隙特征,通过压缩试验检测多孔钛力学性能。结果同种单元片状结构的比表面积均显著高于杆状结构,同种单元片状结构的力学性能明显优于杆状结构。其中,D单元片状TPMS模型的优势最显著,比表面积为13.00 mm^(-1),多孔钛样件的弹性模量、屈服强度和抗压强度分别为(5.65±0.08)GPa、(181.03±1.30)MPa和(239.83±0.45)MPa,比杆状多孔钛样件分别提高43.87%、55.08%和67.21%。结论相同单元的片状TPMS模型在保留有多孔结构低刚度的同时,有更大的比表面积,更有利于细胞的黏附生长,其低刚度、更高强度的力学特性能有效降低应力遮挡,提供足够的力学支撑,是一种理想的骨缺损修复替代物孔隙结构模型。 展开更多

关键词 多孔结构 三周期极小曲面 有限元分析 力学性能

在线阅读 下载PDF 职称材料