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申请/专利权人：香港大学

摘要：本发明属于医学穿戴式骨科矫形器设计领域，公开了一种多阶段骨科穿戴式矫形器拓扑优化设计方法，根据用户矫形前、后的身体模型获得需要分阶段调整的矫形器设计域；依据有限元验证获得更加精确的开孔减材依据，按矫形需求分阶段调整从而获得最终的穿戴式骨科矫形器模型。本发明所述方法结合了有限元计算和验证以及基于均质化分析改进的拓扑优化算法，更加合理和有效的给出了最优材料减材和更加合理的开孔配置方案，尽可能降低优化后重构阶段需要花费的额外的时间和人力成本。

主权项：1.一种多阶段骨科穿戴式矫形器拓扑优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据用户矫形前、后的身体模型获得需要分阶段调整的矫形器设计域；步骤2、对矫形前的身体模型进行四边形网格划分，采用逆时针方向求解矫形前每个用于有限元计算而划分的四边形单元的单元法向量；求解出矫形前后每个对应的四边形单元的变形空间向量，计算所有四边形单元法向量和其单元变形向量之间的夹角；步骤3、对网格划分获得的用于有限元计算的四边形壳单元的夹角进行过滤，保留角度大于设定的目标角度阈值的单元，并依据该结果进行初步减材建模；减材后的模型作为优化设计域，并重新进行四边形网格划分，依据矫形前后模型的空间对应关系对优化设计域中每个节点施加空间变形向量进行有限元分析；步骤4、以壳单元的平均长宽为尺度建立相对密度的微观分析模型即方板圆孔模型，并对每个方板圆孔模型进行均质化分析；获得每个方板圆孔模型的弹性模量和泊松比对应孔隙率的对应关系，即分别以弹性模量和泊松比为纵轴孔隙率为横轴拟合的函数；步骤5、基于均质化分析根据弹性模量和泊松比对应相对密度即孔隙率的关系对每个单元重新赋予对应的材料特性，并进行有限元计算，根据优化准则法对计算后获得的相对密度设计变量进行更新；步骤6、对步骤5更新后的相对密度值，在0或者1分布上利用卷积窗进行边界过滤，获得边缘处相对密度以阶梯层状渐变分布的效果；步骤7、在进行矫形调整后的身体网格模型上依据计算获得的相对密度数值进行逆向计算获得该四边形单元上需要挖孔的圆形的半径，并采用计算机辅助设计软件进行布尔运算，从而获得在初步减材的模型上进一步挖小的孔径不同的变密度孔洞从而获得最终的穿戴式骨科矫形器模型。

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