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ABAQUS血管支架仿真之材料和属性设置全过程(赠达索2003-2019年会论文集)

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导读:好消息,笔者原创且独家首发仿真秀平台的《ABAQUS医疗支架建模和仿真10讲-掌握医疗支架建模、设计和参数化仿真分析能力》已经上线10期,内容持续更新中!该课程涵盖了医疗支架建模基础、几何和网格划分、单元选择、材料和截面属性、分析步设置、载荷接触和约束、收敛调整,以及后处理、参数优化等内容讲解,并且涵盖了多个Workshop专向技能实训,并为订阅用户提供VIP群服务、高薪岗位内推、答疑专栏和后续加餐直播计划,欢迎订阅哦。

其中《ABAQUS医疗支架建模和仿真10讲》视频教程的同步原创文章已经更新到底第三季,希望回看第1-2季的朋友可以查看以下文章:

  • Abaqus血管支架仿真攻略之几何创建与网格划分
  • Abaqus血管支架仿真攻略之单元选择与网格收敛

注意,仿真秀平台给大家带来一个汇禾科技医疗器械行业cae工程师内推岗位,非常有竞争力的薪酬而且公司发展空间足够大,请关注 仿真人才库2021-16期的内推岗,欢迎道友们联系仿真秀平台内推。最后分享本文到朋友圈赠送达索公司年会论文集一套(2003-2019年)。

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今天我继续更新第三季(支架仿真文字版):Abaqus血管支架仿真的材料和截面属性设置,并且通过workshop球囊扩张支架案例演示材料和截面属性全过程。希望能够引起道友们的共鸣,并能够对大家医疗支架仿真技能提升有些许帮助。

一、Abaqus/CAE 材料和截面属性设置

1. 认识线弹性-塑性材料

线弹性-塑性材料模型对于金属为典型单轴应力-应变,用于由各种金属和金属合金制成的气球扩张支架材料,比如不锈钢、钽、铂合金、铌合金、钴合金等。

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▲ 弹塑性曲线

当载荷低于屈服点时,大多数金属行为近似为线弹性,在Abaqus/CAE中定义如下。

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▲ 弹性性能定义

线弹性-塑性材料模型,如应力大于屈服应力,则大多数金属开始塑性变形。常用Mises屈服准则,用于屈服属性表现为初始各向同性的金属。其塑性变形导致的屈服面演化的硬化规律有1)各向同性硬化的理想塑性,常用于一般研究应用,以及2)运动硬化、耦合各向同性/运动硬化,适用于循环载荷的应用。在Abaqus/CAE中定义如下。

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▲ 塑性定义

2、超弹性材料

通常用于放置支架的血管模型。试验血管通常采用各向同性超弹性材料建模,而管腔切片通常是各向异性的,因胶原纤维通常呈螺旋状排列。Abaqus提供了各向同性和异性超弹性材料模型。

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▲ 血管结构【1】

[1] G.Holzapfel,et al, “A New Constitutive Framworkfor Arterial Wall Mechanics and a Comparative Study of Material Models,"Journal of Elasticity, vol. 61, 2000, pp. 1-48.

各向同性的超弹性材料模型有物理激励模型和唯象模型两大类,通常采用唯象模型。具体区别如下。

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▲ 各向同性超弹性材料模型

注:唯象理论(phenomenology),是指物理学中解释物理现象时,不用其内在原因,而是用概括试验事实而得到的物理规律。唯象理论是试验现象的概括和提炼,没有深入解释。

Abaqus/CAE内定义各向同性的超弹性参数如下图。具体操作可参考我发布在仿真秀官网或APP的同步视频教程《Abaqus工程实例详解》。

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▲ 超弹性定义

Abaqus/CAE能够根据测试参数自动评估超弹性材料模型,用以验证预测性能和试验数据的相关性。根据实验数据,绘制预测的名义应力-应变曲线,可对比不同超弹性模型与测试数据。

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▲ 自动评估拟合超弹性材料模型

各向异性的超弹性材料模型,有Generalized Fung形式 、Holzapfel-Gasser-Ogden形式,以及用户自定义应变能形式。具体案例和解释将在视频中作以说明。

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▲ 各向异性超弹性[2]

[2] T.Gasser, et al, “Hyperelastic modeling of arterial layers with distributedcollagen fibreorientations," J. R. Soc. Interface, vol. 3, 2006, pp. 15-353. 

3、镍钛诺材料

镍钛诺是由相等或几乎相等含量的镍和钛组成的合金,其关键特征有:

  • 1)超弹性,由奥氏体相和马氏体相之间的应力诱导转变,可逆变形可达到非常高的应变(高达10%);
  • 2)形状记忆,在同一温度下进行变形,加热到超过转变温度后恢复原状,这一属性不用于支架;
  • 3)优良的疲劳性能;
  • 4)生物相容性;
  • 5)对温度敏感。

镍钛诺具备超弹性材料模型和超弹-塑性模型。超弹性材料模型:用于镍钛合金自膨胀支架,大多数自扩支架应用于镍钛诺的超弹性极限内。超弹-塑性模型:用于加载超过超弹性极限的自扩张支架,通常塑性变形是由气球的进一步膨胀引起。

镍钛诺静止状态,材料以奥氏体呈现,超过一定应力奥氏体相转变为马氏体,产生大应变的同时,应力几乎没有增加;在卸载后,材料在较低的转变应力下转变回奥氏体相;进一步超过超弹性极限后,马氏体呈现塑性行为。

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▲ 单轴拉伸镍钛诺管,典型的镍钛诺应力-应变图 [3]

[3] S. Gopal, et al, MEDInstitute Incorporated, a COOK Group Company, "Fatigue Life Estimation ofNitinol Medical Devices," Abaqus Users' Conference, Newport, Rhode Island,May 2008, pp. 438-446.

镍钛诺材料模型,镍钛诺性能不符合任一传统的本构方程,现在使用的镍钛诺材料模型是唯象的。

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▲镍钛诺材料模型

基于Auricchio和Taylor[4,5,6]的材料模型可以在Abaqus中使用,超弹性和超弹-塑性模型,都作为内置的Abaqus功能。

[4] AuricchioF., Taylor R.L. “Shape-memory alloys: modeling and numerical simulations of thefinite-strain superelasticbehavior”. Comp. Meth. in Appl. Mech. and Engnrg.1996; 143: 175-194.

[5] AuricchioF., Taylor R.L., Lubliner J. “Shape-memory alloys: macromodelingand numerical simulations of the superelasticbehavior”. Comp. Meth. in Appl. Mech. and Engnrg.1997; 146: 281-312.

[6] QidwaiM.A., LagoudasD.C. “Numerical implementation of a shape memory alloy thermomechanicalconstitutive model using return mapping algorithms”. Int. J. Num. Meth. Engnrg.2000; 47: 1123-1168.

作为内置的用户材料,不需要Fortran编译器或子程序文件;Abaqus/Standard中,材料名称必须以ABQ_SUPER_ELASTIC开;Abaqus/Explicit中,材料名称必须以ABQ_SUPER_ELASTIC_NxD开头,x表征单元的维度 (例如,x= 3为实体单元);超弹性或超弹-塑性材料模型的选择,取决于材料常数的个数。超弹性、超弹-塑性性能于Abaqus/CAE应用和验证,见下图。

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▲ 超弹性性能验证

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▲ 超弹-塑性性能验证

4. 总结

 默认情况下,Abaqus的单元不计算沙漏刚度,对于镍钛诺材料,如果使用其,必须指定沙漏控制刚度,同时,如果镍钛诺材料模型用于剪切柔性壳或梁单元,则必须指定横向剪切刚度。具体操作,可以关注我的《ABAQUS医疗支架建模和仿真10讲》视频演示。接下来给大家带来workshop球囊扩张支架案例演示材料和截面属性全过程。

二、Abaqus单胞支架材料赋值

纸上得来终觉浅,还是要练习,接下来讲解支架的材料参数定义和截面属性赋值演示。

1、材料参数

Abaqus/CAE的Property环境。新建名为Stainless_steel的材料。弹性性能设置杨氏模量为19300MPa,泊松比为0.33。对于塑性性能,设置其塑性应变和应力参数如下。  

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▲ 塑性参数:塑性应变和屈服应力

2、截面属性

定义和赋值Abaqus/CAE的Property环境。

1)创建名为Stent的solid截面,其所引Stainless_steel材料。

2)创建名为Expander的Shell:Surface截面,不用定义其材料。

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▲Shell Surface截面定义

Stent截面赋值予Strut_wrapped 部件。Expander截面赋值予Expander部件。

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▲ 截面赋值

以上总结本文讲解了材料参数创建、截面属性创建及其赋予部件。欢迎观看我录制了课程放到仿真秀,详情见下文。

三、我的医疗支架仿真精品课

曾几何时,笔者做了一个意见征集,见下图:

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为了帮助更好的学习和理解ABAQUS支架仿真,笔者决定在仿真秀平**家发布一套视频教程《ABAQUS医疗支架建模和仿真10讲》掌握医疗支架建模、设计和参数化仿真分析能力。当前更新完第3期,接下来我加快更新进度。

以下是我的课程安排,点击下图可以试看

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笔者以纯干货的形式结合自己多年的经验带大家由浅入深,由易到难的学习ABAQUS医疗支架仿真全过程(Step by Step),并且配套练习题,强化和提高订阅用户ABQUS医疗支架建模、设计、优化和参数化分析的能力。

作者:江丙云 仿真秀优秀讲师
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首次发布时间:2021-04-07
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