21632

21632

انجام بهينه سازي توپولوژي بر روي ايمپلنت مفصل ران به منظور كاهش سپر تنشي

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي - بيومكانيك

98-99

1398/8/30

دكتر منصور عليزاده

مكانيك

امروزه در علم طراحي، هدف تنها طراحي جهت برآوردن نياز ن‌مي‌باشد، بلكه طراحي بهينه و كاهش وزن و مواد مصرفي، به يك الزام تبديل شده است، بهينه سازي يافتن بهترين جواب در خروجي از يك تابع با فرايند، بوسيله تغيير ورودي‌هاي يك سيستم ‌مي‌باشد. در دنياي امروز با توجه به مسئله كاهش مصرف و وزن در ساخت قطعات، بحث بهينه سازي مورد استقبال فراواني قرار گرفته است. بهينه سازي در دنياي امروز به يكي از اولويتهاي طراحي قطعات بدل شده است يكي از شاخه‌هاي بهينه سازي ساختاري، بهينه سازي توپولوژي است. بهينه سازي توپولوژي به معناي علم مكان شناختي قرار گيري يك جسم است. بهينه سازي توپولوژي در واقع يك مدل بهينه از توزيع و پراكندگي ماده در يك قطعه را با توجه به تابع هدفي كه ما براي آن تعيين ‌مي‌كنيم، ارائه ‌مي‌دهد. با تغيير مرز گره‌هاي المانهاي روي سطح سعي در كاهش تمركز تنش در آنها ‌مي‌شود. سپر تنشي پديده اي است كه بعد از عمل آرتروپلاستي و جايگذاري ايمپلنت به جاي استخوان معيوب در داخل بدن، به علت تفاوت در سفتي مواد به كار گرفته شده در ساخت ايمپلنت و استخوان به وجود ‌مي‌آيد. سپر تنشي باعث ‌مي‌شود تا تنش‌هاي وارده به استخوان كاهش يافته و بدين ترتيب بر اساس قانون ولف استخوان رفته رفته ضعيف تر بشود و عمل بازسازي استخوان از طرف سلول‌هاي بدن به درستي انجام نگيرد. اين پايان نامه به شناسايي و بررسي تكنيكها و الگوريتم‌هاي بهينه سازي، و بكارگيري آن در بهينه سازي ايمپلنت مفصل ران به منظوركاهش سپر تنشي پرداخته شده است. در اين پايان نامه به ارايه راه حل جديدي از بهينه سازي توپولوژي پرداخته شده است. بهينه سازي انجام شده بر روي ايمپلنت مفصل ران مورد نظر بر اساس حداقل حجم و حداقل انرژي سفتي. لازم به ذكر است كه اين دو در نهايت بطور همزمان براي مسئله در نظر گرفته شده است. يعني بطور جدا از هم نمي‌باشند روش بكار گرفته شده براي بهينه سازي توپولوژي روش SIMP ‌مي‌باشد. در اين پايان نامه به دنبال بهينه سازي ايمپلنت مفصل ران، هستيم. در اين روش براي هر المان درصدي از چگالي در نظر گرفته ‌مي‌شود. و المان‌ها با چگالي مياني جريمه ‌مي‌شوند. در اين روش ابتدا به تحليل المان محدود بر روي شكل مورد نظر پرداخته ‌مي‌شود، سپس از المان‌هايي كه نقش كمتري در تحمل بار مورد نظر را دارند درصدي از چگالي آن المان برداشته ‌مي‌شود و دوباره تحليل صورت ‌مي‌گيرد. در نهايت با توجه به ضريب جريمه كه در نظر گرفته شده است المان‌هايي كه ضريب حساسيت كمتري نسبت به مقدار محاسبه شده دارند چگالي آنها صفر در نظر گرفته يا به عبارتي حذف ‌مي‌شوند. اين فرآيند تا زمانيكه شرايط تابع هدف و قيدها فراهم باشد تكرار ‌مي‌شود. هدف از انجام بهينه سازي در اين پايان نامه توليد ايمپلنتي سبكتر و با دوام بيشتر در داخل بدن ‌مي‌باشد.

1398/10/29

topology optimization in femur implant to reduce stress shielding.

11/21/2019 12:00:00 AM

Today in design science, the goal is not just design to meet the needs, but optimized design and weight loss and consumables has become a must, optimizing to find the best solution to the output of a process function by modifying the inputs of a system. In today's world, the issue of optimization has been much welcomed with regard to the issue of reducing consumption and weight in component manufacturing. Optimization in today's world has become one of the priorities of component design. One of the areas of structural optimization is topology optimization. Topology optimization means the ontological science of positioning an object. Topology optimization actually provides an optimal model of the distribution and distribution of matter in a segment with respect to the target function for which we determine it. By changing the boundaries of the element nodes on the surface they try to reduce their stress concentration. Tension shield is a phenomenon that arises after arthroplasty and implant placement in the body due to differences in the rigidity of the material used in the implant and bone construction. Stress shields reduce the stresses on the bones, making them weakened by Wolfe's law, and failing to properly perform bone regeneration. This thesis deals with the identification and investigation of optimization techniques and algorithms, and its application in hip arthroplasty optimization to reduce stress shield. In this thesis a new solution of topology optimization is presented. Optimization of the hip joint implant based on minimum volume and minimum stiffness energy. It should be noted that the two are ultimately considered simultaneously for the problem. That is, they are not separately used to optimize the topology of the SIMP method. In this thesis we are looking to optimize hip implants. In this method, a percentage of density is considered for each element. And the elements are fined the middle density. In this method, first the finite element analysis is performed on the desired shape, then the elements which have less role in the load bearing are removed and a percentage of the density of that element is removed and re-analyzed. Finally, with respect to the penalty coefficient, the elements that are less sensitive to the calculated value are considered as zero, or omitted. This process until the conditions of the objective function and constraints are met Repeats. The purpose of this optimization is to produce lighter, more durable implants in vivo.