Rezultatų paskelbimas

Remiantis skaičiavimo mechanika, topologinis optimizavimas apibrėžia optimalią pusiausvyrą tarp atsparumo lenkimui ir didelės įpurškimo talpos.

Rezultatų paskelbimas

Naudojome pažangiausią{0}} skaičiavimo mechaniką ir topologijos optimizavimo technologijas, kad sėkmingai apibrėžtume „Pareto optimalią ribą“ standžiųjų vamzdžių konstrukcijų su plyšiais veikimui. Tuo remdamiesi sukūrėme išmaniojo dizaino platformą „OptiSlot“ ir su ja susijusius produktus. Ši platforma gali automatiškai generuoti unikalius optimalius plyšių modelius pagal konkrečius tikslinius apribojimus, tokius kaip ašinis stiprumas, atsparumo lenkimui koeficientas, sukimo standumas ir svoris. Dėl to šioje platformoje pagaminti standūs vamzdžiai su plyšiais pasižymi visapusiškomis mechaninėmis savybėmis, kurios yra daugiau nei 40 % didesnės nei tradicinės empirinės konstrukcijos, todėl pasiekiama precedento neturinti tiksli pusiausvyra tarp atsparumo lenkimui ir ašinės įpurškimo jėgos.

Mokslinių tyrimų ir plėtros fono iššūkiai

Kurdami standžių vamzdžių konstrukcijas, inžinieriai jau seniai rėmėsi empirinėmis formulėmis ir bandymo{0}}ir-klaidos metodais, kad nustatytų plyšio parametrus (pvz., plyšio ilgį, plyšio plotį, tarpą ir kampą). Šis metodas yra ne tik neefektyvus, bet ir sudėtingas kiekybiškai įvertinti skirtingų dizainų veikimo skirtumus, be to, jis negali ištirti galimų konstrukcijų, kurios artėtų prie teorinės ribos. Dėl to dizainas yra per daug konservatyvus, nes saugumui paaukoti per daug vidinės erdvės arba, siekiant didžiausios įpurškimo jėgos, kyla lenkimo rizika. Klinikiniu požiūriu yra reikšmingų partijų-į-paketų variantų ir įrenginių „jautimo“ ir patikimumo projektavimo aklųjų dėmių. Fizinės-sistemingos projektavimo metodikos trūkumas yra pagrindinė sustingusio produkto veikimo ir rimtos homogeniškumo problemos priežastis.

Pagrindinės technologinės naujovės

• Parametrinė baigtinių elementų ir{0}}kelių tikslų optimizavimo integravimo platforma:Sukūrėme integruotą projektavimo aplinką su nepriklausomomis intelektinės nuosavybės teisėmis, sklandžiai susiejančią parametrinį geometrinį modeliavimą, netiesinę baigtinių elementų analizę (FEA) ir daugiaobjektyvų genetinį algoritmą (MOGA). Naudotojams tereikia įvesti išorinį skersmenį, sienelės storį, medžiagos savybes ir numatomą našumo diapazoną (pvz., mažiausią gniuždymo jėgą, didžiausią leistiną lenkimo kampą, minimalų sukimo standumą), o platforma gali automatiškai optimizuoti tūkstančius galimų konstrukcijų. Algoritmas kaip optimizavimo tikslus laiko ašinį standumą, atsparumą šoniniam lenkimui, sukimo perdavimo efektyvumą, svorį ir t. t. ir galiausiai pateikia daugybę ne-dominuojančių sprendimų (ty projektavimo schemų, kurių negalima patobulinti vienu aspektu nepažeidžiant kito) „Pareto fronte“, kuriuos inžinieriai gali pasirinkti pagal prioritetą.
• Bioninė ir ne{0}}vienodo susipynusių laiko tarpsnių duomenų bazė:Sulaužydami tradicinį vienodą tiesių laiko tarpsnių mąstymą, sukūrėme duomenų bazę, kurioje yra daugybė pažangių laiko tarpsnių tipų. Šiuos plyšių tipus įkvėpė natūralios anti-lenkimo struktūros, pvz., bambukinės jungtys, Havercus vamzdžių sistemos kaulų žievės sluoksniai ir kt. Įskaitant, bet tuo neapsiribojant: palaipsniui besikeičiančias tarpines plyšius, lanko formos įtempių difuzijos plyšius, fraktalų išsišakojusius plyšius, asimetriškus sukimo plyšius ir t. ne-tolygiai paskirstyti, bet mechaniškai efektyvūs sudėtiniai lizdų modeliai.
• Gamybos apribojimų susiejimas ir našumo patikrinimas:Optimizavimo ciklo metu naujoviškai įdėjome „Gamybos apribojimo modulį“. Šis modulis įvertina kiekvienos sukurtos konstrukcijos pagaminamumą realiuoju laiku, įskaitant galimybę pjauti lazeriu (pvz., minimalų vidinio kampo spindulį, išvengiant šilumos kaupimosi), poliravimo įrankių pasiekiamumą ir tai, ar neatsiras sunkiai{1}}pašalinamų atbrailų. Optimizavimo algoritmas automatiškai išvengs nepraktiškų projektų, užtikrindamas, kad kiekvienas optimalus sprendimas būtų „gaminamas optimalus“, tiesiogiai perkeliamas iš skaitmeninės erdvės į gamybos liniją ir pašalinamas „popierinis pokalbis“.

Veikimo mechanizmas

OptiSlot platformos dizaino filosofija yra „vadovauti stresui, o ne priešintis stresui“. Sukurti plyšių modeliai iš esmės suplanuoja efektyviausią ir sklandžiausią vamzdžio vidinių jėgų (įtempių srauto) perdavimo kelią sudėtingoms apkrovoms. Atlikdama skaičiavimo mechanikos modeliavimą, platforma tiksliai identifikuoja „jėgos grandinę“, kuri, veikiant ašiniam slėgiui, patiria pagrindinę apkrovą, taip pat „silpnas sritis“, kurios linkusios įlinkti veikiant šoninėms jėgoms. Optimizuotose plyšiuose išliks pakankamai nepertraukiamų „tiltų“ medžiagų palei „jėgos grandinės“ kelią, kaip tvirtas pagrindinis kelias; o "silpnosiose srityse" arba ne-pagrindinėse apkrovą-nešančiose zonose strategiškai pristatomos konkrečios plyšių formos ir kryptys. Šios plyšys yra tarsi kruopščiai suprojektuotos „lanksčios jungtys“ arba „energijos sugėrikliai“, leidžiantys medžiagai patirti nedidelę, kontroliuojamą elastinę deformaciją, taip išsklaidant smūgio energiją ir neleidžiant vietiniam nestabilumui išplisti iki visiško žlugimo. Šis įtempių laukų-pagrįstas aktyvaus valdymo dizainas užtikrina ekonomiškiausią ir efektyviausią medžiagų paskirstymo panaudojimą.

Veiksmingumo patikrinimas

Lyginant tradicinį vienodą lizdo dizainą su OptiSlot optimizuotu dizainu, skirtumai yra dideli: nors ir atitinka tą patį atsparumą gniuždymui (pvz., 1000N), optimizuoto dizaino vamzdžio korpuso svoris vidutiniškai sumažėja 18%, o vidinis skersmuo gali būti padidintas 15%. Atliekant trijų-taškų lenkimo bandymą, kai pasiekiama tokia pati deformacija, optimizuoto dizaino vamzdžio korpuso apkrova yra 25 %-50 % didesnė nei tradicinės konstrukcijos. Dar svarbiau, kad optimizuoto dizaino gedimo režimas yra „švelnesnis“, pasireiškiantis kaip laipsniškas ir daugiapakopis, o ne staigus lūžis, suteikiant operatoriui vertingą grįžtamąjį ryšį ir reakcijos laiką. Taikant stuburo suliejimo implantų įrankius, kreipiančiosios įvorės, sukurtos su OptiSlot, sukimo kampo paklaida, palyginti su modeliuotu didžiausiu implanto sukimo momentu, sumažėjo 60 %, o chirurgo atsiliepimai buvo tokie, kad jis jaučiasi „minkštesnis“, buvo labiau nuspėjamas, o pasitikėjimas instrumento valdymu žymiai padidėjo.

Mokslinių tyrimų ir plėtros strategija ir filosofija

Mūsų pagrindinė strategija yra „dizainas skatina našumą, modeliavimas pakeičia bandymus ir klaidas“. Pažangias skaičiavimo modeliavimo ir optimizavimo technologijas laikome „super mikroskopu“ ir „akceleratoriaus varikliu“, skirtu naujų medicinos prietaisų kūrimui naujoje eroje. Daug investavome į didelio našumo{2}}kompiuterių grupių kūrimą ir sukūrėme profesionalią komandą, apimančią tvirtą mechaniką, skaičiavimo matematiką ir programinės įrangos inžineriją. Mūsų filosofija yra tokia: tikras novatoriškas dizainas dažnai slypi didžiulėje erdvėje už žmogaus intuicijos ir patirties, o fizikos{4}}pagrįsti išmanieji optimizavimo algoritmai yra geriausias šios nežinomos teritorijos tyrinėjimo vadovas. Esame įsipareigoję išlaisvinti inžinierius nuo pasikartojančio,{6}}pagrįsto darbo, kad jie galėtų sutelkti dėmesį į pažangiausių -našumo reikalavimų ir klinikinių problemų apibrėžimą, o užduotį rasti optimalų sprendimą nenuilstantiems išmaniesiems algoritmams.

Ateities perspektyva

Ateityje struktūrinis optimizavimas pereis nuo statinio prie dinaminio ir nuo izoliuotų komponentų prie sistemos integravimo. Kuriame „realaus laiko topologijos optimizavimo“ technologiją, kuri gali dinamiškai koreguoti vietinį instrumento standumo pasiskirstymą, remdamasi realaus laiko navigacijos duomenimis operacijos metu (pvz., instrumento ir kaulo kontaktine jėga ir audinio varža). Tuo pačiu išplėsime optimizavimo sritį nuo vieno vamzdžio korpuso iki visos prietaisų sistemos, įskaitant vamzdžio korpuso ir proksimalinės rankenos bei distalinės darbinės galvutės jungties sąsajas, kad būtų optimizuotas mechaninis veikimas sistemos lygiu. Tolesnė vizija yra sukurti „debesų dizaino rinką“, kurioje gydytojai ar instrumentų įmonės galėtų pateikti savo veikimo reikalavimų paketus. Mūsų debesijos platforma per kelias valandas pateiks kelias virtualias-patikrintas optimizuoto dizaino schemas ir susijusias našumo prognozavimo ataskaitas, žymiai paspartindamos procesą nuo koncepcijos iki naujoviškų instrumentų prototipo ir paskatindamos suasmenintų chirurginių instrumentų eros atėjimą.