PDF《薄木层积材颈椎夹板加工理论及其参数驱动的 形状仿真》

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33 No.10 Oct.

2013 第33 卷第10 期2013 年10 月中南林业科技大学学报Journal of Central South University of Forestry &

Technology 收稿日期:2013-05-07 基金项目:中央高校基金(DL13AB03);

国家自然科学基金(31170517) 作者简介:张杨(1981-),男,黑龙江哈尔滨人,讲师,博士研究生,主要从事木质复合材料学方面的研究;

E-mail:[email protected] 在现代生物医学技术中,利用生物医用材料 制造医疗辅助工具和人体组织器官的替代材料是 一项比较前沿的研究,根据现代颈椎夹板设计理 论,可以从微观结构研究薄木层积材颈椎夹板特 性,构造新型薄木层积材颈椎夹板,再利用异型 模压技术将超薄薄木层积成颈椎夹板进行重构加 工,理论上就可以制造出新型颈椎夹板 [1-2] .这种 由薄木层积成的颈椎夹板超出了传统木材的概念, 是具有良好的透气性、相容性、高压缩比、高弹 性模量的生物医用材料 [3-5] .本研究从微观角度研 究了薄木层积材颈椎夹板的形成机理,从基础理 论研究入手,结合实验论证,组构具有我国自主 知识产权的新型薄木层积颈椎夹板.

1 薄木层积材加工工艺与加工方法 如今微纳米加工技术的成熟,完成厚度上微 米级的加工已不是难题,微米级的加工可以使木 材的细胞得到破坏,剔除细胞内部的胶液与节子, 从而提高重组后薄木层积材的强度 [6-7] .木材的细 胞壁物质密度一般等于 1.53 g/cm3 ,而大多数木材 薄木层积材颈椎夹板加工理论及其参数驱动的 形状仿真 张杨, 马岩(东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心 , 黑龙江 哈尔滨 150040) 摘要:以薄木层积材木质材料替代国内外广泛采用的塑料与石膏来制作颈椎夹板,具有环保、绿色、与人 体皮肤相容性好等优点,是利用可再生资源替代化石类资源的尝试.叙述了建立薄木层积材颈椎夹板空间曲 面的通用数学模型,利用模型参数驱动的通用性,直接由模型方程输入人体颈部相关尺寸参数,即可获得不同 人群所需的加工尺寸.实现薄木层积材在模压机床上的曲面加工,可以保证造型的美观和降低生产成本.通过 VC++6.0 对薄木层积材颈椎夹板造型进行仿真验证,结果表明:所建立的数学模型具有良好的精确性、通用性 和实用性,为薄木层积材颈椎夹板加工系统的开发奠定理论基础. 关键词:薄木层积材;

颈椎夹板;

仿真;

模型参数驱动;

数学模型 中图分类号:S781.6 文献标志码:A 文章编号:1673-923X(2013)10-0141-06 Processing theory of sliced veneer laminated board for cervical splint and splint shape simulation by parameter-driven ZHANG Yang, MA Yan (Forestry and Woodworking Machinery Engineering Centre, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China) Abstract: The sliced veneer laminated board was used to manufacture cervical splint instead of plastic material and gypse which were widely used over the world, the laminated board has many advantages, such as environmental, no pollution, good compatible property with skin, etc. The general mathematical model of spatial curved surface of cervical splint of sliced veneer laminated board was established. By using the versatility of the parameter-driven model, Through inputting the neck size parameters directly from the model equations related to the human body, the processing sizes for different customers were obtained, thus realizing the curved surface machining of sliced veneer laminated board on molding machine, and the technics ensured attractive appearance and reduced production costs. By using VC++6.0 for sliced veneer laminated board of cervical splint have been used to simulate the molding process, the simulation results show that the mathematical models had good precision, versatility and practicality, lay e theoretical basis for system development for cervical splint of sliced veneer laminated board. Key words: sliced veneer laminated board;

cervical splint;

shape simulation;

mathematical model 张杨,等:薄木层积材颈椎夹板加工理论及其参数驱动的形状仿真

142 第10 期 的密度仅为 0.5 g/cm3 左右,这与木材组织结构内 部的结构有关.木材细胞组织呈现六棱形空心形 状,这种结构对它的刚度下降有一定影响,如果 通过某种方法人为改变木材细胞的排列方式,应 该可以大幅度提高材料的刚度 [8-10] . 1.1 薄木刨切加工厚度和刀尖半径的关系 对于加工微米级的薄木,怎样才能保证切削 时破坏木材细胞的结构,刀具刀尖半径的尺寸是 解决问题的关键.刀尖半径的尺寸应小于加工的 厚度,在刨切薄木时还要保证刀具的前角为正值, 因此在实际刀具设计中,刀尖的圆弧半径应该须 小于薄木厚度的一半,或者相当于木材细胞半径 的一半,它们之间需具有一定的几何关系 [11] .对 于微米木纤维加工技术而言,如何控制刀具刀尖 圆弧半径的尺寸是保证加工出高质量木纤维的关 键.经过加工经验比较,如果刀具刀尖圆弧半径 太小,会造成加工困难并影响加工强度.因此, 加工前需要知道所加工木材细胞直径的尺寸,以 确定刀尖圆弧的半径,在满足加工质量的前提下 可以将刀具刀尖半径最大化. 1.2 剖切薄木细胞位置分析 要想彻底消除木材的微观缺陷 , 切削时必须 彻底破坏木材细胞壁的内部结构,使薄木厚度达 到微米级,其加工要处于独立分布的结构以后再 重组,这样才能形成微米级的薄木 [12] .例如沿木 材顺纹方向剖切,假设木材的切片厚度在 0.25 ~ 0.45 d0 之间,如图

1 所示,毛白杨细胞在一定的 刀具刀尖半径剖切后存在

3 种结构形式. 当薄木的剖片加工尺寸达到 0.32 d0 时,将出现

3 种情况(见图 1).这3种情况中的木材细胞都 得到了完全的破坏,这种由细胞壁组成的薄木片, 在人造板热压的压力作用下,会出现图

2 中所示 的形式. 在薄木刨片的状态下就将薄木加工到微米级, 图1毛白杨薄木片细胞剖切后的结构变化 Fig.

1 Structure variations of Populus tomentosa sliced veneer after micrometer cell sectioned 图2加工到微米时木纤维细胞变化 Fig.2 Cell variations of wood fiber after sectioned to micrometer 并选择不同厚度的刨片和刀尖半径以及不同树种, 使得六棱形结构的纤维在切削时彻底破坏.按照 图1木材细胞结构进行热压时可以完全将薄木层 积压实,当加工成如图

1 所示的薄木时,所有的 木材缺陷可以被容易地除去.经过加工后筛选出 合格的薄木片,其强度要求达到图

2 中所示的薄 木片,将这些薄木片按照一定方向铺装并模压, 模压过程中适当的增加压缩比,其强度可达医用 材料的使用标准 [13] ,如图

3 所示.

2 颈椎夹板的数学建模方法 2.1 薄木层积材颈椎夹板数学模型的基本构想 从数学的观点来看,几何体的基本形状由点、 线、面构成,并且点、线、面的位置关系构建了 图3薄木层积材及其断面结构 Fig.

3 Cross-sectioned structure of sliced veneer laminated broad 空间坐标系.对于描述一个规则的几何形状,可 以由空间解析几何点、线、面的位置关系表达式

143 第33 卷中南林业科技大学学报来表示;

而进行不规则的几何形状数学描述,可 以通过微元化来完成.因此,可以在假设的基础 上构建薄木层积材颈椎夹板的数学模型,建立相 应的数学模型可以通过合理的数学工具,来表示 其各变量之间的数学关系[14-15] . 假设颈椎夹板的形状为理想形状,如图

4 所示,假设将颈椎夹板的形状理想的近似为马鞍面, 就可以利用马鞍面的数学模型方程来构建颈椎夹 板数学模型,而后再根据具体形状进行修正.颈 椎夹板数学模型的三维空间坐标系可用变量 X、Y、 Z 表示,数学描述时将夹板最小横截面与非包络曲 面的交点作为双曲抛物面坐标系的原点(人体颈 部弯曲的最大值). 式(1)表示了在理想状态下,曲面和平面构 成六个面包络形成了颈椎夹板的数学模型,并确 定了 L

1、L

2、R、r、c 和颈椎夹板定位之间的关系. 或者理想的将后片颈椎夹板的形状看做马鞍 面,但形状上与前片夹板略有不同.后片夹板的 下颈部(颈椎根部)根据人体生理特点被切掉了 一部分,是因为考虑了患者佩戴时肩部的舒适性 等问题,如图

5 所示. 图4马鞍面坐标系 Fig.4 Saddle surface in coordinate system 2.2 薄木层积材颈椎夹板数学模型的建立 一付颈椎夹板由前后两片夹板组成,并且造 型略有差异.从数学模型的角度上看

2 个双曲抛 物面(马鞍面)构成了一个包络空间,而在加工 上它又是一种在规则空间曲面加工的木制工件. 根据加工的方向,设颈椎夹板轴心方向为 X 向, 宽度方向为 Y 向,Y-Z 平面为人体颈部上半部截面 与下半部截面的分界,X-Z 平面为颈椎夹板轴心上 的对称平面.前片薄木层积材颈椎夹板的数学模 型,如公式(1): ? ? ? ? ? ? ? ? = ) (

2 ) ( ) (

2 ) ( ) ( ) , , (

1 2

2 2

1 2

1 1

2 2

2 1

2 1

1 1

1 1 c z b a ay bx z b a ay bx z y x G , -L2 ≤ x1 ≤ L1;

z1 ≥ -r. (1) 式(1)中:L1―人体上颈部的长度;

L2―人体下 颈部的长度;

R―人体颈部最大半径;

r―人体颈 部最小半径;

c―颈椎夹板厚度;

X―颈椎夹板轴 向长度的方向变量;

Y―颈椎夹板宽度的方向变量;

Z―颈椎夹板厚度的方向变量. ≤ ≤ 图5薄木层积材后片颈椎夹板造型 Fig.

5 Shape of back cervical splint of?sliced veneer laminated board 对于后片颈椎夹板而言,可以将下颈部看做是 由椭圆柱将它切掉的,因此在这里可以引入椭圆弧 方程来描述后片夹板的数学模型.后片薄木层积材 颈椎夹板的数学模型与前片颈椎夹板在同一坐标系 内,它们的对称平面为 X-Z 平面,如公式(2): G2(x2,y2,z2)= ? ? ? ? ? ? ? + + + ? ? ?

2 1

2 2

2 1

2 1

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 )] ( [ )] (

2 [ ) (

2 ) ( ) (

2 ) ( ) ( L R r z L L x R c z b a ay bx z b a ay bx , z2 ≥ -r;

-L2 ≤ x2 ≤ L1. (2) 式(2)中:L2―人体上颈部长度;

L1―人体下颈 部长度;

R―人体颈部的最大半径;

r―人体颈部 的最小半径;

c―颈椎夹板厚度;

X―颈椎夹板轴 向长度方向的变量;

Y―颈椎夹板宽度方向的变量;

Z―颈椎夹板厚度方向的变量. 式(2)构成了理想状态下颈椎夹板的包络空 间,确定了 L

1、L

2、R、r、c 和定位尺寸的关系, 在此基础上根据所建立的数学模型公式可以在计 算机中进行形状的仿真,以及在实际生产中用数 控模压加工的方法把它生产出来,如图

6 所示.

3 颈椎夹板参数驱动设计 3.1 数学模型的参数提取 如图

7 所示,以下几个参数控制了颈椎夹板 ≥ ≤ ≥ 张杨,等:薄木层积材颈椎夹板加工理论及其参数驱动的形状仿真

144 第10 期 的造型:R 为人体颈部的最大半径;

r 为人体颈部 的最小半径;

c 为夹板的厚度;

L1 为上颈部横截面 到坐标原点距离;

L2 为下颈部横截面到坐标原点 距离. 根据人体生理特征可知,人体脖颈的半径 与长度是成一定的比例关系,因此要想准确的建 立符合人体生理曲线的颈椎夹板数学模型,就应 将人体颈部前后方向上的半径或人体颈部左右方 向上的半径或脖子的长度作为提取参数........