결과발표

계산 역학을 기반으로 하는 토폴로지 최적화는 굽힘에 대한 저항성과 높은 사출 용량 간의 최적의 균형을 정의합니다.

결과발표

우리는 최첨단 계산 역학과 토폴로지 최적화 기술을 활용하여 슬롯이 있는 견고한 튜브 구조의 성능을 위한 '파레토 최적 프론티어'를 성공적으로 정의했습니다. 이를 바탕으로 우리는 "OptiSlot" 지능형 설계 플랫폼 및 관련 제품을 개발했습니다. 이 플랫폼은 축 강도, 굽힘 저항 계수, 비틀림 강성 및 무게와 같은 특정 대상 제약 조건에 따라 고유한 최적의 슬롯 패턴을 자동으로 생성할 수 있습니다. 결과적으로 이 플랫폼에서 생산된 슬롯이 있는 견고한 튜브는 기존의 경험적 설계보다 40% 이상 더 높은 포괄적인 기계적 성능을 가지며 굽힘 저항과 축 주입력 사이의 전례 없는 정밀한 균형을 달성합니다.

연구 개발 배경 과제

견고한 튜브 구조를 설계할 때 엔지니어들은 슬롯 길이, 슬롯 너비, 간격, 각도 등의 슬롯 매개변수를 정의하기 위해 오랫동안 경험적 공식과 시행{0}}및-오류 방법에 의존해 왔습니다. 이러한 접근 방식은 비효율적일 뿐만 아니라 서로 다른 설계 간의 성능 차이를 정량적으로 평가하기 어렵고 이론적 한계에 접근하는 잠재적인 설계를 탐색할 수도 없습니다. 결과적으로 설계는 안전을 위해 너무 많은 내부 공간을 희생하거나 궁극적인 사출력을 추구할 때 굽힘 위험을 초래하는 등 지나치게 보수적인 경향이 있습니다. 임상적으로는 배치-간-상당한 변형이 있고 기기의 '느낌'과 신뢰성에 대한 설계 사각지대가 있습니다. 물리적-기반의 체계적인 설계 방법론의 부족은 제품 성능 정체와 심각한 동질성 문제의 근본 원인입니다.

핵심 기술 혁신

• 파라메트릭 유한 요소 및 다중{0}}객관적 최적화 통합 플랫폼:우리는 파라메트릭 기하학적 모델링, 비선형 유한 요소 분석(FEA) 및 다중-객관적 유전 알고리즘(MOGA)을 원활하게 결합하는 독립적인 지적 재산권을 갖춘 통합 설계 환경을 개발했습니다. 사용자는 외경, 벽 두께, 재료 특성 및 예상 성능 목표 범위(예: 최소 압축 파괴력, 최대 허용 굽힘 각도, 최소 비틀림 강성)만 입력하면 플랫폼은 수천 개의 가능한 설계 중에서 자동으로 최적화할 수 있습니다. 알고리즘은 축 강성, 측면 굽힘 저항, 비틀림 전달 효율, 무게 등을 최적화 목표로 삼고 최종적으로 엔지니어가 우선순위에 따라 선택할 수 있는 "파레토 전선"에 일련의 비-지배적 솔루션(즉, 다른 측면을 해치지 않으면서 한 측면을 개선할 수 없는 설계 방식)을 출력합니다.
• 생체공학 및-균일하지 않은 인터레이스 슬롯 데이터베이스:기존의 획일적인 직선형 슬롯 사고방식을 깨고 수십 가지의 고급 슬롯 유형을 포함하는 데이터베이스를 구축했습니다. 이러한 슬롯 유형은 대나무 관절, 뼈의 피질층 Havercus 튜브 시스템 등과 같은 자연적인 굽힘 방지 구조에서 영감을 얻었습니다. 여기에는 점차적으로 변화하는 간격 슬롯, 호- 모양의 응력 확산 슬롯, 프랙탈 분기 슬롯, 비대칭 비틀림 ​​슬롯 등이 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다. 플랫폼은 이러한 기본 슬롯 유형 단위를 지능적으로 호출하고 결합하여 매우 복잡하고-균일하게 분포되지 않지만 기계적으로 효율적인 복합 슬롯 패턴을 생성할 수 있습니다.
• 제조 제약 결합 및 생산성 검증:최적화 주기 동안 우리는 "제조 제약 모듈"을 혁신적으로 내장했습니다. 이 모듈은 레이저 절단의 타당성(최소 내부 각도 반경, 열 축적 방지 등), 연마 도구의 접근성, 제거하기 어려운 버(burr)가 생성되는지 여부 등을 포함하여 생성된 각 디자인의 제조 가능성을 실시간으로 평가합니다.-}- 최적화 알고리즘은 비실용적인 설계를 자동으로 피하여 모든 최적의 솔루션이 "제조 가능한 최적"임을 보장하고 디지털 공간에서 생산 라인으로 직접 이동하며 "종이 대화"를 제거합니다.

작용 메커니즘

OptiSlot 플랫폼의 디자인 철학은 "스트레스를 반대하는 것이 아니라 스트레스를 안내하는 것"입니다. 생성된 슬롯 패턴은 본질적으로 복잡한 하중 하에서 튜브의 내부 힘(응력 흐름)에 대해 가장 효율적이고 원활한 전달 경로를 계획합니다. 전산 역학 시뮬레이션을 통해 플랫폼은 축 압력 하에서 주 하중을 지탱하는 "힘 체인"과 횡력 ​​하에서 좌굴되기 쉬운 "약한 영역"을 정확하게 식별합니다. 최적화된 슬롯은 견고한 주요 도로처럼 "포스 체인" 경로를 따라 충분한 연속 "브리징" 재료를 유지합니다. "약한 영역" 또는 비-1차 하중-지탱 영역에서는 슬롯의 특정 모양과 방향이 전략적으로 도입됩니다. 이러한 슬롯은 세심하게 설계된 "유연한 조인트" 또는 "에너지 흡수체"와 같아서 재료가 작고 제어 가능한 탄성 변형을 겪게 하여 충격 에너지를 분산시키고 국부적 불안정성이 완전히 붕괴되는 것을 방지합니다. 이 스트레스 필드- 기반의 활성 관리 설계는 재료 분배의 가장 경제적이고 효과적인 활용을 달성합니다.

유효성 검증

기존의 균일한 슬롯 설계와 OptiSlot 최적화 설계를 비교하면 차이가 뚜렷합니다. 동일한 압축 실패 저항(예: 1000N)을 충족하는 동시에 최적화된 설계에서 튜브 본체의 무게는 평균 18% 감소하거나 내경이 15% 확장될 수 있습니다. 3점-굽힘 테스트에서 동일한 처짐에 도달할 때 최적화된 설계 튜브 본체가 부담하는 하중은 기존 설계보다 25%-50% 더 높습니다. 더 중요한 것은 최적화된 설계의 실패 모드가 더 "완만"하고 갑작스러운 파손보다는 점진적이고 다단계 항복으로 나타나 작업자에게 귀중한 피드백과 반응 시간을 제공한다는 것입니다. 척추 유합 임플란트 도구에 대한 적용에서 OptiSlot으로 설계된 가이드 슬리브는 시뮬레이션된 최대 임플란트 토크에서 이전에 비해 비틀림 각도 오류가 60% 감소했으며, 외과 의사의 피드백은 "더 부드러운" 느낌을 갖고 예측 가능성이 높으며 도구 작동에 대한 자신감이 크게 높아졌다는 것입니다.

연구개발 전략 및 철학

우리의 핵심 전략은 "설계는 성능을 주도하고, 시뮬레이션은 시행착오를 대체합니다."입니다. 우리는 첨단 전산 시뮬레이션 및 최적화 기술을 새로운 시대의 새로운 의료기기 개발을 위한 '슈퍼 현미경'이자 '가속기 엔진'으로 간주합니다. 우리는 고성능 컴퓨팅 클러스터 구축에 막대한 투자를 해왔으며 견고한 역학, 계산 수학, 소프트웨어 엔지니어링을 포괄하는 전문 팀을 양성해 왔습니다. 우리의 철학은 다음과 같습니다. 진정한 혁신적인 디자인은 종종 인간의 직관과 경험을 넘어서는 광대한 공간에 있으며, 물리학- 기반의 지능형 최적화 알고리즘은 이 미지의 영역을 탐험하기 위한 최고의 가이드입니다. 우리는 엔지니어를 반복적인 경험 기반 노동에서 해방시켜 엔지니어가 더욱 최첨단 성능 요구 사항과 임상 문제를 정의하는 데 집중할 수 있도록 최선을 다하고 있으며, 최적의 솔루션을 찾는 작업은 지치지 않는 지능형 알고리즘에 맡깁니다.

미래 전망

미래에는 구조 최적화가 정적에서 동적으로, 분리된 구성요소에서 시스템 통합으로 전환될 것입니다. 수술 중 실시간 네비게이션 데이터(예: 기구와 뼈 사이의 접촉력, 조직의 임피던스 등)를 기반으로 기구의 국부 강성 분포를 동적으로 조정할 수 있는 "실시간 토폴로지 최적화" 기술을 개발하고 있습니다.- 동시에 시스템 수준에서 기계적 성능의 최적화를 달성하기 위해 최적화 범위를 단일 튜브 본체에서 튜브 본체와 근위 핸들, 원위 작업 헤드 사이의 연결 인터페이스를 포함하여 전체 기구 시스템으로 확장할 것입니다. 추가 비전은 임상의나 장비 회사가 성능 요구 사항 패키지를 제출할 수 있는 "클라우드 설계 시장"을 구축하는 것입니다. 당사의 클라우드 플랫폼은 여러 가상-검증된 최적화 설계 방식과 관련 성능 예측 보고서를 몇 시간 내에 반환하여 혁신적인 기기의 컨셉부터 프로토타입까지의 프로세스를 크게 가속화하고 맞춤형 수술 기기 시대의 도래를 촉진합니다.