板材多点成形缺陷的数值模拟及颅骨钛板假体数字化制造研究

论文摘要

多点成形是利用点阵排列的、高度可调的基本体群形成的包络工具曲面取代传统的实体模具进行板类件成形的一种快速、柔性、数字化成形技术。该技术在板类件三维曲面成形领域有着广泛的应用前景。本文采用有限元方法,对无压边多点成形、有压边多点拉深成形及分段多点成形进行了数值模拟研究。研究了无压边多点成形马鞍面件时皱纹缺陷产生的原因和影响因素,并且模拟结果证明多道次成形方法能够显著抑制皱纹的产生,且曲率半径步长越小,成形效果越好,但效率相对降低;研究了有压边多点拉深成形斜壁矩形盒件时板料的流动规律,起皱及拉裂成形缺陷的产生原因,并着重研究了材料成形性能参数和不同压边力加载曲线对成形结果的影响;以圆柱面件为例着重研究了分段多点成形中局部剧烈塑性变形缺陷的产生原因。另外,本文也对多点成形技术在医学工程中的应用进行了研究,以医疗中常见的颅骨缺损修补为例,采用薄板样条函数对具有较大缺损的点云数据进行插值,得到缺损处的数学模型后采用多点成形技术压制钛板假体,得到了既能严格保证与缺陷周边紧密贴合,又能达到较好审美效果的钛板假体。基于多点成形技术,本文已经初步形成了一个针对钛板假体的数字化设计与制造的完整解决方案,在保持较低成本和较高精度的同时,可以大大提高钛板假体设计与制造的效率。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 多点成形技术简介
• 1.2.1 基本原理
• 1.2.2 多点成形技术的产生与发展
• 1.2.3 多点成形技术的应用
• 1.3 板材成形有限元数值模拟技术进展
• 1.3.1 国外研究状况
• 1.3.2 国内研究状况
• 1.3.3 商业软件概述
• 1.4 多点成形过程数值模拟的研究进展
• 1.5 颅骨钛板假体设计与制造状况简介
• 1.6 选题的意义及主要研究内容
• 1.7 本章小结
• 第二章 多点成形数值模拟的有限元方法
• 2.1 引言
• 2.2 动力显式算法
• 2.2.1 虚功率原理
• 2.2.2 动力分析的有限元方程
• 2.2.3 显式时间积分算法
• 2.2.4 显式算法的稳定性条件
• 2.3 接触的处理
• 2.3.1 接触中从节点的搜索
• 2.3.2 罚力的计算
• 2.4 Belytschko-Wong-Chiang 壳单元模型
• 2.5 材料本构模型
• 2.5.1 Hill 厚向异性弹塑性材料模型
• 2.5.2 Barlat 平面应力各向异性弹塑性材料模型
• 2.6 自适应网格技术
• 2.6.1 定义
• 2.6.2 细化准则
• 2.6.3 采用与不采用自适应网格技术的比较
• 2.7 本章小结
• 第三章 无压边多点模具成形过程中起皱现象的数值模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 马鞍面件数值模拟分析
• 3.2.1 有限元模型的建立
• 3.2.2 模拟结果与实验结果的对照
• 3.3 起皱分析
• 3.4 起皱影响因素
• 3.4.1 目标曲率的影响
• 3.4.2 板厚的影响
• 3.4.3 板料成形性能参数的影响
• 3.4.4 摩擦的影响
• 3.5 起皱抑制
• 3.5.1 多工步冲压成形数值模拟的关键技术
• 3.5.2 多道次多点成形数值模拟分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 斜壁矩形盒件多点拉深成形数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 斜壁盒形件多点拉深成形过程
• 4.3 斜壁矩形盒件多点拉深成形的数值模拟
• 4.3.1 有限元模型的建立
• 4.3.2 模拟结果与实验对照
• 4.3.3 斜壁矩形盒件多点拉深成形过程分析
• 4.4 板料成形性能参数对斜壁矩形盒件多点拉深的影响
• 4.5 不同压边力加载曲线对斜壁矩形盒件多点拉深影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 分段多点成形中局部剧烈塑性变形的研究
• 5.1 引言
• 5.2 基本概念
• 5.3 有限元模型的建立
• 5.4 虚拟成形速度的确定
• 5.5 局部剧烈塑性变形的产生
• 5.5.1 板材与基本体接触状态的分析
• 5.5.2 局部剧烈塑性变形产生的原因
• 5.6 局部剧烈塑性变形的抑制
• 5.7 本章小结
• 第六章 基于多点成形的颅骨钛板假体数字化制造研究
• 6.1 引言
• 6.2 方法概述
• 6.3 颅骨模型的三角网格重建
• 6.4 重建钛板假体表面形状
• 6.4.1 径向基函数（RBF）近似理论
• 6.4.2 线形方程系统的构造与求解
• 6.4.3 薄板样条函数
• 6.5 钛板假体的多点成形
• 6.5.1 多点成形压力机的选择
• 6.5.2 钛板假体的压制
• 6.6. 讨论
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表（待发表）的论文
• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢