[增材]脊椎侧弯支架的晶格轻量化设计

Abaqus结合Tosca可快速设计点阵结构，并对其材料性能进行预测，同时应用Abaqus新增增材制造插件（AM Plug-In）快速AM工艺设置，仿真3D打印过程。

上一篇介绍了运动鞋底的晶格结构优化设计流程，写得甚是辛苦，脊椎都快凸出了，急忙去某宝逛一趟，得知神器（图1），医学人称：脊椎侧弯矫正器腰部支架，在此简称其支架。

图1 脊椎侧弯支架

上图支架甚是繁重，加重了身体负担，需加以优化设计。

引言

脊椎侧向弯曲，即脊柱侧凸是儿童中常见的脊椎问题。图2所示的“Cobb Angle”在世界范围内被用于测量和量化脊椎畸形的大小，此为一种量化和追踪脊柱侧凸的标准测量方法。

图2 Cobb Angle

如果脊柱侧弯在20~40度，骨科医生通常会开具图3所示的脊椎侧弯矫正器腰部支架，以防脊柱产生更多变形，通常病人每天需要穿18-20小时。

图3 支架模型

因病人的脊柱侧弯而异，需要进行定制，如果使用传统方法，通常需要很长时间，使用增材制造方法，是个不错的选择，同时，设计出更轻的支架也是非常重要的。

优化设置

采用Abaqus+Tosca进行设置和尺寸优化。

设计空间：

图4 优化设计空间

几何模型转换为晶格结构：

图5 晶格模型

边界载荷：如图5示意，组合加载工况AB、BC、AC、ABC。

图6 受力示意

目标：最大刚度（最小应变能）

优化结果

Tosca优化迭代和应变能、相对体积变化如图7所示。

（a）应变能

（b）相对体积

图7 优化结果和迭代过程

最优结果如图8所示。

（a）尺寸分布

（b）应力分布

图8 优化结果

讨论

以上采用Abaqus、Tosca优化了支架的晶格结构，然后对优化几何进行重构，如图9所示。

图9 几何结构重构