Anunci dels resultats

A partir de la mecànica computacional, l'optimització topològica defineix l'equilibri òptim entre la resistència a la flexió i l'alta capacitat d'injecció.

Anunci dels resultats

Hem utilitzat-mecànica computacional d'avantguarda i tecnologies d'optimització de topologia per definir amb èxit la "frontera òptima de Pareto" per al rendiment d'estructures de tubs rígids amb ranures. En base a això, hem desenvolupat la plataforma de disseny intel·ligent "OptiSlot" i els seus productes relacionats. Aquesta plataforma pot generar automàticament patrons de ranura òptims únics segons restriccions específiques de l'objectiu, com ara la força axial, el coeficient de resistència a la flexió, la rigidesa torsional i el pes. Com a resultat, els tubs rígids amb ranures produïts per aquesta plataforma tenen un rendiment mecànic integral més d'un 40% superior al dels dissenys empírics tradicionals, aconseguint un equilibri precís sense precedents entre la resistència a la flexió i la força d'injecció axial.

Recerca i Desenvolupament Antecedents Reptes

En el disseny d'estructures de tubs rígids, els enginyers han confiat durant molt de temps en fórmules empíriques i mètodes d'assaig-i-error per definir els paràmetres de la ranura (com ara la longitud de la ranura, l'amplada de la ranura, l'espaiat i l'angle). Aquest enfocament no només és ineficient, sinó també difícil d'avaluar quantitativament les diferències de rendiment entre diferents dissenys, i no és capaç d'explorar dissenys potencials que s'acosten al límit teòric. Com a resultat, els dissenys tendeixen a ser massa conservadors, ja sigui sacrificant massa espai intern per seguretat o introduint riscos de flexió quan es persegueix la força d'injecció final. Clínicament, hi ha variacions importants-a-per lots i dissenyar punts cecs en la "sensació" i la fiabilitat dels dispositius. La manca d'una metodologia de disseny sistemàtica i basada en física-és la raó fonamental de l'estancament del rendiment del producte i del greu problema d'homogeneïtat.

Innovació Tecnològica bàsica

• Elements finits paramètrics i plataforma d'integració d'optimització multi-objectiu:Hem desenvolupat un entorn de disseny integrat amb drets de propietat intel·lectual independents, acoblant perfectament el modelatge geomètric paramètric, l'anàlisi d'elements finits no lineals (FEA) i l'algorisme genètic multi-objectiu (MOGA). Els usuaris només han d'introduir el diàmetre exterior, el gruix de la paret, les propietats del material i el rang objectiu de rendiment esperat (com ara la força de fallada mínima de compressió, l'angle de flexió màxim permès, la rigidesa torsional mínima) i la plataforma es pot optimitzar automàticament entre milers de dissenys possibles. L'algorisme pren com a objectius d'optimització la rigidesa axial, la resistència a la flexió lateral, l'eficiència de la transmissió torsional, el pes, etc., i finalment produeix una sèrie de solucions no-dominades (és a dir, esquemes de disseny que no es poden millorar en un aspecte sense danyar un altre) al "front Pareto", que els enginyers poden seleccionar en funció de la prioritat.
• Base de dades de ranures entrellaçades biòniques i no-uniformes:Trencant la mentalitat tradicional d'escurabutxaques rectes uniformes, hem construït una base de dades que conté desenes de tipus de tragamonedas avançades. Aquests tipus de ranures s'inspiren en estructures naturals anti-flexió, com ara juntes de bambú, capes corticals del sistema de tubs Havercus dels ossos, etc. Inclou, entre d'altres: ranures d'espaiat que canvien gradualment, ranures de difusió d'estrès en forma d'arc-, ranures de ramificació fractal, ranures de torsió asimètriques, etc. patrons de ranures compostos no-uniformement distribuïts però mecànicament eficients.
• Acoblament de restriccions de fabricació i verificació de productivitat:Durant el cicle d'optimització, vam incorporar de manera innovadora el "Mòdul de restriccions de fabricació". Aquest mòdul avalua la fabricabilitat de cada disseny generat en temps real, inclosa la viabilitat del tall per làser (com ara un radi d'angle interior mínim, evitant l'acumulació de calor), l'accessibilitat de les eines de poliment i si generarà dificultats-d'-eliminar rebaves. L'algoritme d'optimització evitarà automàticament dissenys poc pràctics, assegurant que cada solució òptima sigui un "òptim fabricable", passant directament de l'espai digital a la línia de producció i eliminant la "xerrada en paper".

Mecanisme d'acció

La filosofia de disseny de la plataforma OptiSlot és "guiar l'estrès, no oposar-se a l'estrès". Els patrons de ranura generats planifiquen essencialment el camí de transmissió més eficient i suau per a les forces internes (flux de tensió) del tub sota càrregues complexes. Mitjançant la simulació de mecànica computacional, la plataforma identifica amb precisió la "cadena de força" que suporta la càrrega principal sota pressió axial, així com les "àrees febles" propenses a deformar-se sota forces laterals. Les ranures optimitzades conservaran suficients materials de "pont" continus al llarg del camí de la "cadena de força", com una carretera principal sòlida; mentre que a les "zones febles" o les zones no-de càrrega primària-, s'introdueixen estratègicament formes i direccions específiques de les ranures. Aquestes ranures són com "juntes flexibles" o "absorbidors d'energia" dissenyades amb cura, que permeten que el material sofreixi una deformació elàstica petita i controlable, dissipant així l'energia d'impacte i evitant que la inestabilitat local s'estengui fins a un col·lapse complet. Aquest disseny de gestió activa basat en camps d'estrès-aconsegueix l'ús més econòmic i eficaç de la distribució de materials.

Verificació d'eficàcia

En comparar el disseny de ranura uniforme tradicional amb el disseny optimitzat OptiSlot, les diferències són significatives: mentre compleix la mateixa resistència a la fallada a la compressió (com ara 1000 N), el pes del cos del tub en el disseny optimitzat es redueix de mitjana un 18% o el diàmetre interior es pot ampliar en un 15%. A la prova de flexió de tres-punts, en arribar a la mateixa deflexió, la càrrega que suporta el cos del tub de disseny optimitzat és un 25%-50% superior a la del disseny tradicional. Més important encara, el mode de fallada del disseny optimitzat és més "suau", que es manifesta com un rendiment progressiu i en diverses etapes, en lloc d'una fractura sobtada, proporcionant una retroalimentació i un temps de reacció valuosos per a l'operador. En una aplicació per a eines d'implant de fusió espinal, la màniga guia dissenyada amb OptiSlot tenia un error d'angle de torsió del 60% de reducció sota el parell màxim simulat de l'implant en comparació amb abans, i la resposta del cirurgià va ser que tenia una sensació "més suau", era més previsible i la confiança en el funcionament de l'instrument augmentava significativament.

Estratègia i Filosofia de Recerca i Desenvolupament

La nostra estratègia principal és "el disseny impulsa el rendiment, la simulació substitueix la prova i error". Considerem les tecnologies avançades de simulació i optimització computacionals com el "super microscopi" i el "motor accelerador" per al desenvolupament de nous dispositius mèdics en la nova era. Hem invertit molt en la creació de clústers informàtics d'alt rendiment-i hem format un equip professional que abasta mecànica sòlida, matemàtiques computacionals i enginyeria de programari. La nostra filosofia és: el veritable disseny innovador sovint es troba en l'ampli espai més enllà de la intuïció i l'experiència humanes, i els algorismes d'optimització intel·ligent basats en la física- són la millor guia per explorar aquest territori desconegut. Ens comprometem a alliberar els enginyers del treball repetitiu basat en l'experiència-, permetent-los centrar-se a definir requisits de rendiment més avantguardistes i problemes clínics, alhora que deixem la tasca de trobar la solució òptima als algorismes intel·ligents incansables.

Perspectives de futur

En el futur, l'optimització estructural passarà de l'estàtica a la dinàmica i de components aïllats a la integració del sistema. Estem desenvolupant la tecnologia "-optimització de la topologia en temps real", que pot ajustar dinàmicament la distribució de rigidesa local de l'instrument en funció de les dades de navegació en-en temps real durant l'operació (com ara la força de contacte entre l'instrument i l'os i la impedància del teixit). Al mateix temps, ampliarem l'àmbit d'optimització d'un sol cos de tub a tot el sistema d'instruments, incloses les interfícies de connexió entre el cos del tub i el mànec proximal i el capçal de treball distal, per aconseguir l'optimització del rendiment mecànic a nivell del sistema. La visió addicional és establir un "mercat de disseny al núvol", on els metges o les empreses d'instruments puguin presentar els seus paquets de requisits de rendiment. La nostra plataforma al núvol retornarà diversos esquemes virtuals-de disseny optimitzats verificats i informes de predicció de rendiment relacionats en poques hores, accelerant significativament el procés des del concepte fins al prototip d'instruments innovadors i afavorint l'arribada de l'era dels instruments quirúrgics personalitzats.