一种基于层合板理论的复合材料接骨板优化设计方法

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。

主权项

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：$EA=\frac{b}{A_{11}^{*}}---\left(1\right)$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：${\mathrm{EI}}_{yy}=\frac{b}{D_{11}^{*}}---\left(2\right)$式中，EI_yy为接骨板的弯曲刚度；c.扭转刚度的计算：$GJ=\frac{4b}{D_{66}^{*}}---\left(3\right)$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：${\mathrm{SEF}}_i=0.5\left(\frac{{\mathrm{EA}}_{min}}{{\mathrm{EA}}_i}\right)+0.5\left(\frac{{\mathrm{GJ}}_i}{{\mathrm{GJ}}_{\max }}\right)---\left(4\right)$式中，SEF_i为不同结构接骨板的刚度系数，EA_min为轴向刚度的最小值，EA_i为不同结构接骨板的轴向刚度，GJ_i为不同结构接骨板的扭转刚度，GJ_max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。