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    重庆时时彩送28: 一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法.pdf

    关 键 词:
    一种 基于 三次 设计 方法 复合材料 接骨 优化
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    摘要
    申请专利号:

    CN201611086917.3

    申请日:

    2016.12.01

    公开号:

    CN106777581A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20161201|||公开
    IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
    申请人: 哈尔滨理工大学
    发明人: 王沫楠; 王新宇; 杨宁
    地址: 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号
    优先权:
    专利代理机构: 代理人:
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201611086917.3

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法,具体包括八个步骤:步骤一:制定可控因素水平表;步骤二:利用正交表进行内设计;步骤三:制定误差因素水平表;步骤四:进行外设计;步骤五:求质量特性值;步骤六:计算信噪比和灵敏度;步骤七:内表的统计分析;步骤八:确定最佳参数设计方案;本发明通过使用三次设计方法对复合材料接骨板进行多参数优化,最大限度的发挥了复合材料骨板的材料及结构性能,解决了传统固定器只能单参数设计的问题,在医疗器材领域有着重要的价值。

    权利要求书

    1.一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法,包括如下步骤:
    步骤一:制定可控因素水平表;
    在试验中水平可以指定并加以挑选的因素,即水平可以人为加以控制的因素,称为可
    控因素;例如时间、温度、加工方法、电阻、电压、电流强度等均为可控因素;可控因素水平表
    一般取三水平;
    步骤二:利用正交表进行内设计;
    根据可控因素个数和水平数选用相应的正交表(称为内表),确定对可控因素所进行的
    试验方案的设计称为内设计;
    在参数空间指定一个搜索范围后,其试验次数仍太多,采用正交试验可大大减少试验
    次数;由于正交试验的正交性,能在很多的试验条件中,选取代表性强的少量的试验条件进
    行试验,分析推断出最佳的参数组合;
    步骤三:制定误差因素水平表;
    误差因素,主要指引起产品功能波动的物品间干扰、外干扰和内干扰;误差因素水平表
    一般取三水平;
    外干扰是指由于使用条件及环境条件(如温度、湿度、输入电压、磁场、操作者等)的波
    动或变化,将引起产品功能的波动,称这种使用条件及环境条件的波动或变化为外干扰,也
    称外噪声;
    内干扰是指产品在储存或使用过程中,随着时间的推移,发生材料老化变质现象,从而
    引起产品功能的波动,称这种材料老化变质现象为内干扰,也称内噪声;
    步骤四:进行外设计;
    对误差因素所进行的试验方案的设计称为外设计;
    内设计完成后,在参数空间指定的搜索范围内确定了若干个点,把试验点的坐标作为
    元器件的标称值,用误差因素模拟各种干扰进行试验;
    步骤五:求质量特性值;
    根据内、外表确定的试验方案求质量特性值;
    当质量特性值可计算时,可由公式直接进行计算,或者用仿真软件进行仿真;
    当质量特性值不可计算或仿真时,需按设计方案组装样品,通过试验测得质量特性的
    试验值;
    质量特性损失函数分为三类:望目特性的质量损失函数、望小特性的质量损失函数、望
    大特性的质量损失函数;
    望目特性的质量损失函数:望目特性质量损失函数适用于产品的输出特性y有一个确
    定的目标值y0(通常不为零),并且质量损失在目标值的两侧呈对称分;其计算公式为:
    L(y)=K(y-y0)2 (1)
    式中,K是不依赖于y的常数,称为质量损失系数;质量损失系数K的确定可以有两种方
    法:一种是根据功能界限和相应的损失来确定;另一种是根据容差△J和相应的损失来确
    定;
    望小特性的质量损失函数:质量特征是:不取负值,越小越好,目标值为零;当其输出特
    性值增大时,其性能逐渐变差,质量损失逐渐变大;
    望大特性的质量损失函数:质量特性是:不取负值,越大越好,零值最差;当其输出特性
    值增大时,其性能逐渐变好,质量损失逐渐变小,其理想的值是无穷大;
    步骤六:计算信噪比和灵敏度;
    信噪比SN和灵敏度S的计算公式为:
    望目特性信噪比SN的计算公式为:
    <mrow> <mi>S</mi> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <mn>10</mn> <mi>lg</mi> <mo>&lsqb;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>S</mi> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <msubsup> <mi>S</mi> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>&rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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    式中,yi为产品质量特性,为产品质量特性均值,N为样品数;
    望小特性信噪比SN的计算公式为:
    <mrow> <mi>S</mi> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mn>10</mn> <mi>lg</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>y</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    望大特性信噪比SN的计算公式为:
    <mrow> <mi>S</mi> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mn>10</mn> <mi>lg</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mn>1</mn> <msubsup> <mi>y</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    灵敏度S的计算公式为:
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    步骤七:内表的统计分析;
    通过对内表的试验数据的统计分析,分别判断出各个可控因素对信噪比和灵敏度影响
    是否显著;并把可控因素分为三种类型:稳定因素、调整因素和次要因素;其中,所述稳定因
    素指的是在信噪比分析中显著的可控因素;调整因素指的是在信噪比分析中不显著,但在
    灵敏度分析中显著的可控因素,可以通过对因素水平的“调整”,使可控因素最佳条件下的
    质量特性的期望值趋近目标值;次要因素指的是在信噪比和灵敏度分析中都不显著的可控
    因素,其在减少成本以及缩短产品研发周期有重要作用;
    步骤八:确定最佳参数设计方案;
    通过SN比分析,找出最优水平的组合,当最佳水平组合的响应没有达到目标值时,可通
    过调整因素进行调整,采用仿真的方法对优化结果进行分析。
    2.根据权利要求书1所述的一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法,
    其特征在于:对于复合材料的接骨板来说,步骤一所述的可控因素包括接复合材料接骨板
    材料平均的杨氏模量、层合板的铺层顺序、层合板的厚度、铺层数量。
    3.根据权利要求书1所述的一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法,
    其特征在于:对于复合材料的接骨板来说,步骤二所述的“利用正交表进行内设计”是指对
    所选的复合材料接骨板材料平均的杨氏模量、层合板的铺层顺序、层合板的厚度、铺层数量
    这些参数采用正交试验方法,利用正交表,完成接骨板内表的设计。
    4.根据权利要求书1所述的一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法,
    其特征在于:对于复合材料的接骨板来说,步骤三所述的误差因素是指制造加工时引起的
    接骨板板面的翘曲变形的温度变化和负载。
    5.根据权利要求书1所述的一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法,
    其特征在于:对于复合材料的接骨板来说,步骤四所述的外设计是将所选的误差因素温度
    变化和负载采用正交试验方法,利用正交表,完成接骨板外表的设计。
    6.根据权利要求书1所述的一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法,
    其特征在于:对于复合材料的接骨板来说,步骤八所述的仿真手段是:将优化后的接骨板应
    用到骨折愈合仿真平台,模拟使用优化后接骨板对骨折愈合的治疗情况,观察其对骨折愈
    合的影响,确定参数最优的设计方案。

    说明书

    一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法

    技术领域

    本发明涉及一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法,具体涉及医
    疗产品可靠性工程技术领域。

    背景技术

    随着我国医疗行业的迅速发展,大量的医疗器材和医疗产品出现在了大众的视
    野。我国的医疗器械和产品发展经历了从无到有、从小到大的发展过程,产品种类也从当初
    单一的常规器械日益多样。但是同发达国家相比,我国医疗器械技术含量不高,国产医疗器
    械大部分属于中低端产品,因技术不足、稳定性欠佳等问题而无望涉及高端产品领域。

    当今社会中,骨折已经成为一种很常见的疾病了,利用接骨板进行内固定是骨科
    治疗骨折的常用手段之一。对骨折进行接骨板固定后,骨折端的活动度取决于外部负荷的
    大小、固定系统的刚度以及骨折间桥接的组织的刚度。传统的接骨板多为金属材料,存在以
    下不足:

    (1)弹性模量与骨差异过大,有应力遮挡效应。

    (2)其耐腐蚀、抗疲劳性差、容易发生失效。

    (3)与骨接触面积大、破坏皮质骨的血供。

    (4)引起骨折畸形愈合、骨不连、骨折之后的再骨折现象,不利于骨折愈合。

    (5)与人体组织相容性存在不足。

    (6)不具有与自然组织相适应的物理机械性能。

    目前也有一些新型材料的接骨板出现,与传统金属接骨板相比,其本质也只是针
    对于材料的优化,仅是单参数的改变其刚度,或单参数的提高其耐腐蚀抗疲劳性,没有极大
    地发挥出新型材料作为骨折固定器的最大优势。

    发明内容

    本发明提出了一种多参数优化复合材料接骨板的方法,采用多材料复合方法改善
    其刚度,解决了弹性模量与骨差异过大、与人体组织不相容、抗腐蚀性差、破坏血供等问题,
    通过多参数优选的方式,最大限度的提高了复合材料接骨板治疗骨折的性能。

    一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法,包括如下步骤:

    步骤一:制定可控因素水平表;

    在试验中水平可以指定并加以挑选的因素,即水平可以人为加以控制的因素,称
    为可控因素;例如时间、温度、加工方法、电阻、电压、电流强度等均为可控因素;可控因素水
    平表一般取三水平;

    步骤二:利用正交表进行内设计;

    根据可控因素个数和水平数选用相应的正交表(称为内表),确定对可控因素所进
    行的试验方案的设计称为内设计;

    在参数空间指定一个搜索范围后,其试验次数仍太多,采用正交试验可大大减少
    试验次数,由于正交试验的正交性,能在很多的试验条件中,选取代表性强的少量的试验条
    件进行试验,分析推断出最佳的参数组合;

    步骤三:制定误差因素水平表;

    误差因素,主要指引起产品功能波动的物品间干扰、外干扰和内干扰;误差因素水
    平表一般取三水平;

    外干扰是指由于使用条件及环境条件(如温度、湿度、输入电压、磁场、操作者等)
    的波动或变化,将引起产品功能的波动,称这种使用条件及环境条件的波动或变化为外干
    扰,也称外噪声;

    内干扰是指产品在储存或使用过程中,随着时间的推移,发生材料老化变质现象,
    从而引起产品功能的波动,称这种材料老化变质现象为内干扰,也称内噪声;

    步骤四:进行外设计;

    对误差因素所进行的试验方案的设计称为外设计;

    内设计完成后,在参数空间指定的搜索范围内确定了若干个点,把试验点的坐标
    作为元器件的标称值,用误差因素模拟各种干扰进行试验;

    步骤五:求质量特性值;

    根据内、外表确定的试验方案求质量特性值;

    当质量特性值可计算时,可由公式直接进行计算,或者用仿真软件进行仿真;

    当质量特性值不可计算或仿真时,需按设计方案组装样品,通过试验测得质量特
    性的试验值;

    质量特性损失函数分为三类:望目特性的质量损失函数、望小特性的质量损失函
    数、望大特性的质量损失函数;

    望目特性的质量损失函数:望目特性质量损失函数适用于产品的输出特性y有一
    个确定的目标值y0(通常不为零),并且质量损失在目标值的两侧呈对称分布,其计算公式
    为:

    L(y)=K(y-y0)2 (1)

    式中,K是不依赖于y的常数,称为质量损失系数;质量损失系数K的确定可以有两
    种方法:一种是根据功能界限和相应的损失来确定;另一种是根据容差△J和相应的损失来
    确定;

    望小特性的质量损失函数:质量特征是:不取负值,越小越好,目标值为零;当其输
    出特性值增大时,其性能逐渐变差,质量损失逐渐变大;

    望大特性的质量损失函数:质量特性是:不取负值,越大越好,零值最差;当其输出
    特性值增大时,其性能逐渐变好,质量损失逐渐变小,其理想的值是无穷大;

    步骤六:计算信噪比和灵敏度;

    信噪比SN和灵敏度S的计算公式为:

    望目特性信噪比SN的计算公式为:




    式中,yi为产品质量特性,为产品质量特性均值,N为样品数;

    望小特性信噪比SN的计算公式为:


    望大特性信噪比SN的计算公式为:


    灵敏度S的计算公式为:


    步骤七:内表的统计分析;

    通过对内表的试验数据的统计分析,分别判断出各个可控因素对信噪比和灵敏度
    影响是否显著;并把可控因素分为三种类型:稳定因素、调整因素和次要因素;其中,所述稳
    定因素指的是在信噪比分析中显著的可控因素;调整因素指的是在信噪比分析中不显著,
    但在灵敏度分析中显著的可控因素,可以通过对因素水平的“调整”,使可控因素最佳条件
    下的质量特性的期望值趋近目标值;次要因素指的是在信噪比和灵敏度分析中都不显著的
    可控因素,其在减少成本以及缩短产品研发周期有重要作用;

    步骤八:确定最佳参数设计方案;

    通过SN比分析,找出最优水平的组合;当最佳水平组合的响应没有达到目标值时,
    可通过调整因素进行调整;采用仿真的方法对优化结果进行分析;

    其中,步骤一所述的可控因素包括接复合材料接骨板材料平均的杨氏模量、层合
    板的铺层顺序、层合板的厚度、铺层数量;

    其中,步骤二所述的“利用正交表进行内设计”是指对所选的复合材料接骨板材料
    平均的杨氏模量、层合板的铺层顺序、层合板的厚度、铺层数量这些参数采用正交试验方
    法,利用正交表,完成接骨板内表的设计;

    其中,步骤三所述的误差因素是指制造加工时引起的接骨板板面的翘曲变形的温
    度变化和负载;

    其中,步骤四所述的外设计是将所选的误差因素温度变化和负载采用正交试验方
    法,利用正交表,完成接骨板外表的设计;

    其中,步骤八所述的仿真手段是:将优化后的接骨板应用到骨折愈合仿真平台,模
    拟使用优化后接骨板对骨折愈合的治疗情况,观察其对骨折愈合的影响,确定参数最优的
    设计方案。

    本发明的的有益效果是:本发明明确提出了一种复合材料接骨板的优化设计流
    程,对复合材料且结构本质为层合板的接骨板来说,材料平均的杨氏模量、层合板的铺层顺
    序、层合板的厚度、铺层数量决定了接骨板的固定性能,本发明采用三次设计的方法同时优
    化了这四个参数并最终可以选择出四个参数综合最佳的接骨板结构,解决了传统优化方式
    只能单一考虑某种参数的优化方式,将复合材料接骨板的性能通过多参数共同优化,使其
    达到最佳的性能,极大的发挥出了复合材料在骨折固定器应用中最佳的性能,保证了在骨
    折治疗中达到最佳的刚度和与人体组织的相容性,降低了应力遮挡对骨折愈合的不利影
    响,在骨折治疗中达到更好的效果。

    附图说明

    图1是本发明实施步骤流程示意图。

    具体实施方式

    一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法,其流程如图1所示,包括
    如下步骤:步骤一:制定可控因素水平表;

    在试验中水平可以指定并加以挑选的因素,即水平可以人为加以控制的因素,称
    为可控因素;例如时间、温度、加工方法、电阻、电压、电流强度等均为可控因素;可控因素水
    平表一般取三水平;

    试验中考察可控因素的目的,在于确定其最佳水平组合,也即最佳方案;在最佳方
    案下,产品的质量特性值接近目标值,且波动最小,即具有稳定性;

    本发明的可控因素包括复合材料接骨板材料平均的杨氏模量、层合板的铺层顺
    序、层合板的厚度、铺层数量;

    复合材料接骨板的结构本质为层合板结构,材料平均的杨氏模量指的是层合板中
    选取的多种铺层材料杨氏模量的平均值,铺层顺序为不同材料铺层的次序,层合板的厚度
    即为复合材料接骨板的总厚度;下表中材料平均杨氏模量的水平1、水平2、水平3为几种不
    同材料组合的情况,层合板铺层顺序的水平1、水平2、水平3为几种不同形式的铺层顺序,层
    合板的厚度的水平1、水平2、水平3为三种不同的厚度,铺层数量的水平1、水平2、水平3为三
    种不同的铺层数量;可控因素水平表如下表所示:

    编号
    可控因素(设计参数)
    水平1
    水平2
    水平3
    A
    材料平均杨氏模量



    B
    层合板的铺层顺序



    C
    层合板厚度



    D
    铺层数量


    步骤二:利用正交表进行内设计;

    根据可控因素个数和水平数选用相应的正交表(称为内表),确定对可控因素所进
    行的试验方案的设计称为内设计;

    在参数空间指定一个搜索范围后,其试验次数仍太多,采用正交试验可大大减少
    试验次数;由于正交试验的正交性,能在很多的试验条件中,选取代表性强的少量的试验条
    件进行试验,分析推断出最佳的参数组合;

    本发明是对所选的复合材料接骨板材料平均的杨氏模量、层合板的铺层顺序、层
    合板的厚度、铺层数量这些参数,采用正交试验方法,利用正交表L9(34),完成接骨板三水平
    内表的设计;

    步骤三:制定误差因素水平表;

    误差因素,主要指引起产品功能波动的物品间干扰、外干扰和内干扰;误差因素水
    平表一般取三水平;

    外干扰是指由于使用条件及环境条件(如温度、湿度、输入电压、磁场、操作者等)
    的波动或变化,将引起产品功能的波动,称这种使用条件及环境条件的波动或变化为外干
    扰,也称外噪声;

    内干扰是指产品在储存或使用过程中,随着时间的推移,发生材料老化变质现象,
    从而引起产品功能的波动,称这种材料老化变质现象为内干扰,也称内噪声;

    由于误差因素的客观存在,使得产品质量特性具有波动;考虑误差因素的目的是
    为了模拟三种干扰,从而减少它们在产品生产和使用权用时的影响,寻求抗干扰能力强,性
    能稳定的产品;

    本发明中误差因素误差因素是指制造加工时引起的接骨板板面的翘曲变形的温
    度变化和负载;误差因素水平表如下表所示:

    编号
    误差因素
    水平1
    水平2
    水平3
    A
    温度变化



    B
    负载


    水平1、水平2、水平3为不同的温度变化以及负载;

    步骤四:进行外设计;

    对误差因素所进行的试验方案的设计称为外设计;

    内设计完成后,在参数空间指定的搜索范围内确定了若干个点,外设计的目的就
    是对内设计确定的这些试验点进行稳定性分析,方法是把试验点的坐标作为元器件的标称
    值,用误差因素模拟各种干扰进行试验;

    本发明外设计是将误差因素制造加工时引起的接骨板板面的翘曲变形的温度变
    化和负载,采用正交试验方法,利用正交表L9(34),完成接骨板外表的设计;

    步骤五:求质量特性值;

    根据内、外表确定的试验方案求质量特性值;

    当质量特性值可计算时,可由公式直接进行计算,或者用仿真软件进行仿真;

    当质量特性值不可计算或仿真时,需按设计方案组装样品,通过试验测得质量特
    性的试验值;

    质量特性损失函数分为三类:望目特性的质量损失函数、望小特性的质量损失函
    数、望大特性的质量损失函数;

    望目特性的质量损失函数:望目特性质量损失函数适用于产品的输出特性y有一
    个确定的目标值y0(通常不为零),并且质量损失在目标值的两侧呈对称分布,其计算公式
    为:

    L(y)=K(y-y0)2 (1)

    式中,K是不依赖于y的常数,称为质量损失系数;质量损失系数K的确定可以有两
    种方法:一种是根据功能界限和相应的损失来确定;另一种是根据容差△J和相应的损失来
    确定;

    望小特性的质量损失函数:质量特征是:不取负值,越小越好,目标值为零;当其输
    出特性值增大时,其性能逐渐变差,质量损失逐渐变大;

    望大特性的质量损失函数:质量特性是:不取负值,越大越好,零值最差;当其输出
    特性值增大时,其性能逐渐变好,质量损失逐渐变小,其理想的值是无穷大;

    步骤六:计算信噪比和灵敏度;

    信噪比SN和灵敏度S的计算公式为:

    望目特性信噪比的计算公式为:




    式中,yi为产品质量特性,为产品质量特性均值,N为样品数;

    望小特性信噪比的计算公式为:


    望大特性信噪比的计算公式为:


    本发明设计的是接骨板,为骨折的内固定器,故其强度、寿命特性十分重要,因此
    采用望大特性;

    灵敏度S的计算公式为:


    步骤七:内表的统计分析;

    通过对内表的试验数据的统计分析,分别判断出各个可控因素对信噪比和灵敏度
    影响是否显著;并把可控因素分为三种类型:稳定因素、调整因素和次要因素;其中,所述稳
    定因素指的是在信噪比分析中显著的可控因素;调整因素指的是在信噪比分析中不显著,
    但在灵敏度分析中显著的可控因素,可以通过对因素水平的“调整”,使可控因素最佳条件
    下的质量特性的期望值趋近目标值;次要因素指的是在信噪比和灵敏度分析中都不显著的
    可控因素,其在减少成本以及缩短产品研发周期有重要作用;可控因素的分类如下表所示:

    类别
    SN比
    灵敏度
    因素名称
    1
    显著
    显著
    稳定因素
    2
    显著
    不显著
    稳定因素
    3
    不显著
    显著
    调整因素
    4
    不显著
    不显著
    次要因素

    步骤八:确定最佳参数设计方案;

    通过SN比分析,找出最优水平的组合;当最佳水平组合的响应没有达到目标值时,
    可通过调整因素进行调整,采用仿真的方法对优化结果进行分析,具体的仿真手段是:将优
    化后的接骨板应用到骨折愈合仿真平台,模拟使用优化后接骨板对骨折愈合的情况,观察
    其对骨折愈合的影响,确定参数最优的设计方案。

    关于本文
    本文标题:一种基于三次设计方法的复合材料接骨板优化设计方法.pdf
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