首页/文章/ 详情

Abaqus血管支架仿真攻略之几何创建与网格划分

3年前浏览6792

前不久,笔者推送的冠脉支架的参数化建模和优化、Abaqus网格卷曲WrapMesh,冠脉支架的参数化建模和优化,以及Abaqus疲劳分析|Goodman插件等原创文章后,后台留言的读者众多,希望多推送支架的建模仿真内容。基于此,我将陆续推送支架的建模基础、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。

今天开始支架仿真的建模准备相关介绍。

一、支架基础知识

1、支架是什么呢

支架是一种微小的网状装置,放置在动脉、血管或其他管道内,保持结构扩张以疏通血管。支架用于哪里?通常用于治疗由于体内血管阻塞或损伤引发的疾病,包括冠状动脉疾病、外周动脉疾病、颈动脉疾病、肾血管性高血压,以及腹主动脉瘤等。其他使用支架的还有保持扩张阻塞或受损的输尿管、保持胆汁在阻塞的胆管内流动、帮助气道阻塞的病人呼吸等。

2、支架是如何工作?

收缩的支架通过一个小切口穿入,安装到受影响的导管内。支架扩张使导管变宽,并提供支撑以防止导管变窄。

3、常用的支架类型:

  • 1)气球胀开支架:其由由塑性变形的材料制成,通过气球胀开进而扩张,气球放气后,除了稍微回弹,支架仍保持扩张状态。

  • 2)自展式支架:由具有较大弹性应变的材料制成,消除约束传递系统后,支架通过弹性变形恢复至扩张状态。

4、支架使用的材料:

  • 1)不锈钢广泛应用于气球胀开支架;气球胀开支架的替代材料有钽、铂合金、铌合金、钴合金等;

  • 2)镍钛诺超弹性合金用于自展式支架;

  • 3)较为前沿的新型支架材料有形状记忆聚合物,生物可降解聚合物和生物可降解金属。

4、支架的制造加工工艺:

  • 1)大多数冠状动脉支架是由激光切割制造,激光束切割出复杂的设计形态;大多数支架是从金属管切割而来,有些是由金属板切割,之后卷成管状;

  • 2)其他制造方法包括卷绕、编织、针织、水切割和光化学蚀刻等。支架的几何设计有连续环、单独环和编织等。其中,占据大部分市场的连续环是由一系列可扩展的Z形或S形单元组成;单独环是由单个Z形或S形环构成,用于支撑移植物;而编织设计,具有卓越的覆盖性能,但在扩张期间会大幅度缩短。

二、支架仿真怎么做?

1、支架仿真的价值

支架的仿真目标有改善设计、降低产品开发循环周期和成本、辅助FDA认证等。

改善设计:仿真能够获得详尽的应力-应变分布,非常重要地预测支架的疲劳寿命,同时能够评估实验室环境难以**的各种体内负载条件。

FDA 建议使用有限元分析或其他应力分析方法,确定支架上应力的关键位置;并建议使用从应力分析中获得的平均应力和交变应力,作为疲劳寿命测定的输入。降低产品开发循环周期和成本:支架的制造和制样非常昂贵且费时,仿真有助于减少需要物理测试的设计数量。

帮助FDA认证:FEA分析结果是FDA提交认证的重要组成部分。负载支架的失效可能导致支架的血管失去径向支撑,或支架支柱穿孔血管。应力分析,疲劳分析和加速耐久性试验结合,为设备耐久性提供了指标。最终,提高产品在激烈市场中的竞争力。

2、支架仿真指南

  • 1)在支架建模实践中必须非常小心,为实际问题提供有效的解决方案;

  • 2)Abaqus在非线性仿真方面已被证明是成功可行,这为支架建模树立了标准;

  • 3)使用Abaqus进行支架建模,提供一般工作流程指导;

  • 4)至于模型应该如何在支架的整体设计和FDA提交过程中使用,用户应该查阅相关监管机构提供的指南,例如,FDA血管内支架和相关给药系统的非临床试验和推荐标识;ASME受均匀径向载荷作用的金属血管支架的有限元分析(FEA)标准指南等。Abaqus支架建模

3、Abaqus血管支架仿真

Abaqus为支架分析提供了一套完整的解决方案。Abaqus/CAE提供了从网格生成到结果后处理的友好用户界面。Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit求解器涵盖了支架建模的力学分析需求。统一的FEA允许用户使用一个模型用于不同分析目的。Abaqus多物理功能提供了广泛的分析工具,包括流体动力学(CFD)和流固耦合(FSI)。

▲ 镍钛诺支架[1]

Abaqus/CAE的建模流程简化如下图:

三、Abaqus血管支架仿真-几何和网格划分

1. 模型介绍

支架分析模型通常包含三个主要部分:Stent支架、在制造和开发过程中与支架相互作用的工具、放置支架处的血管。

支架的建模方法取决于其制造方式,但都可以使用Abaqus/CAE创建激光切割支架和金属丝支架。通常忽略不计卷曲和扩张工具的自身变形,大多数分析考虑其为刚性,有时气球被建模为可变形的。血管通常设置为可变形体,可是已知形状的测试血管几何,或从医学成像获得腔体几何。

2. 支架创建

针对激光切割支架,按照设计图,激光束指向金属管的轴线切割金属管。其几何特征有支架的外表面遵循激光切割所用设计图,支架的侧面沿圆柱的径向;建模所用的初始几何为用于激光切割机加的平面2D。

▲ 激光切割支架

针对激光切割支架的具体创建,Abaqus/CAE操作如下:

1)导入草图

Abaqus/CAE导入平面激光切割模型,作为草图或Part;Abaqus/CAE支持大多数几何文件。

▲Abaqus/CAE导入草图或Part

对于重复模式的设计,识别一致的胞元,通过阵列,能够极大地简化网格。

▲ 识别胞元

2)切分部件和划分网格对2D部件进行切分。为了提高网格质量,几何体应尽可能切分成四边形区域,且分区边界尽可能垂直于表面,以优先使用结构网格划分技术。

▲ 切分几何

布种和网格划分四边形单元。在应力预期较高的弯曲处设置细化单元,而沿着直线部分设置较少单元,并使用偏差布种以逐渐改变单元的尺寸。

▲ 划分网格

3)创建实例在装配环境,创建胞元实例Instance,再调整位置和线性阵列,以重复胞元实例,生成完整的实例。

▲ 阵列胞元,创建实例

4)在接缝处,合并节点

▲ 合并接缝处节点

5)平面单元拉伸为实体单元

▲拉伸实体单元

6)WrapMesh Plug-In卷曲网格为管状WrapMesh插件请参考Abaqus网格卷曲WrapMesh。

▲ Wrap 网格为管状

7)合并接缝处的重复节点

▲合并节点
针对线形支架,是将金属或聚合物线缠绕或编织在芯轴上。其几何特征相对于胞元间距,线径较小,通常使用Beam梁单元。如用于应力集中研究,则使用实体单元。模型通常是先制成平面状,再卷成管状。

▲ 线形支架

线形支架的建模要点,同样是要识别重复胞元,简化模型构建。在Abaqus/CAE中具体操作步骤如下:

1)创建胞元块:凸起线

l = a / (2 cosβ)

胞元块

2)创建实例

在装配环境,导入凸起线4次,以创建重复的编织实例。

3)线性阵列重复的胞元

阵列创建沿轴向和周向的平面编织几何,并合并接缝节点。

▲编织平面几何

4)卷圆单元采用Wrap Mesh插件卷曲平面编织几何成为管状,并合并接缝处重复节点。

▲ Wrap Mesh管状

3. 扩张和卷曲工具

创建在制造和植入时,有多个工具与支架接��交互,包括:用于退火前扩张激光切割支架的扩张工具,用于减小支架直径,使其匹配传送系统的卷曲机,以及用于放置支架的气球。他们的共同特征是只需创建与支架相互作用的表面,并通过一定的机制改变与支架相互作用的表面半径。

其它类似的建模方法也可用于这些工具,比如使用面或膜单元建模表面,可在不考虑驱动机构的情况下,采用径向边界条件模拟扩张或卷曲。

对于复杂工况,如分叉,可采用用户子程序RSURFU建模。RSURFU子程序用于Abaqus/Standard中定义接触对的刚体表面;仿真过程中,曲面形状发生变化,调用子程序RSURFU,确定从面上的点是否穿透刚性面,因此,定义局部表面几何,如果接触发生在从属点,Abaqus/Standard将施加约束防止穿透。有关此RSURFU子程序的详细信息,请参阅Abaqus用户子程序参考指南。

对于RSURFU,有ART(可调刚性环面)插件可用,用于刚性环面,模拟支架的卷曲,扩张和弯曲,但不能用于模拟分叉。同时,由于不能在Abaqus/CAE中可视化使用RSURFU定义的刚性面,因此使用DISP子程序驱动虚拟表面进行可视化。

▲ ART插件

此外RSURFU/Cylinder子程序,可通过改变圆柱形刚性表面的形状和方向,模拟支架的卷曲、扩张、弯曲和分叉,同样子程序刚性表面不能在Abaqus/CAE中显示。

▲RSURFU/Cylinder子程序

对于工具的建模,在Abaqus/CAE操作如下:

1)创建3D可变形壳

通过拉伸草图创建3D可变形��。首先在草图中创建指定半径的圆,通过拉伸生成3D壳,其拉伸深度略大于支架长度。

▲ 创建3D壳

2)网格划分

为了控制轴向种子数,沿轴向用直线切割圆柱表面。同时,为了接触模拟的准确性,需生成充分变化的表面法线,故沿圆周布足够的单元,但沿轴向只需要设置一个单元。划分网格为四边形单元。

▲ 网格划分

4. 血管创建

根据仿真工况,支架被放置到两种类型的血管中。1)台式试验中使用的塑料管,通常是直管;2)在体内放置支架的管腔,有时几何被理想简化为直管或弯管,也有时采用医疗扫描数据图像。经常图像被处理并转换为STL文件,然后导入Abaqus/CAE。Abaqus/CAE的老版本是通过插件导入STL,新版本可直接导入。

▲ 老版本的Plug-ins STL import

5. 导入孤立网格

有时,部件作为节点和单元提供,即孤立网格。孤立网格没有几何特征,主要��使用其他前处理软件生成的输入文件、以前模型的.inp文件、前一分析结果的输出.odb文件。

Abaqus/CAE具有导入孤里网格能力,以在新模型中使用孤立网格部件。可以导入的孤立网格类型有.inp、.odb,以及Nastran和Ansys输入文件。

▲ 导入孤立网格

6. **对象

此外,为多次使用模型中的对象,可通过**使模型Model之间的对象重复使用。

▲ **对象

除了部件之外,许多其他对象也可以被**,包括:材料,截面,剖面,振幅和相互作用特性。通过此**命令,可对多次导入的孤立网格进行组装到一个Model内。7. 展开支架有时,分析人员会将变形的网格展开成平面几何,类似于钣金件展开。

展开网格,是为了通过对比展平的几何与物理测试后的支架表面,验证有限元求解,以在变形的FDA结果基础上进一步改进设计,比如,在卷曲阶段设计支架,提高支架的卷曲性能。管状支架可通过Unwrap Mesh脚本展开,同样的,也有对应的Unwrap Mesh插件。Unwrap插件将孤立的壳部分的网格以圆柱形展开,并创建一个新的孤立网格部件,如果需要,该部件将包含原网格和2D平面几何。需要注意该插件只能在Part环境下执行。

▲ Unwrap Mesh插件和功能

插件被安装后,可通过Plug-ins → Tools  → Unwrap Mesh 打开。该插件还需定义圆筒轴、将被切开的支架点,以及展开半径等。

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。当前更新完第一期,接下来我加快更新进度。

以下是我的课程安排

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(注意:课程价格随着教程的更新会上调)。

参考文献:[1] S.Gopal, et al, MED Institute Incorporated, a COOK Group Company, "FatigueLife Estimation of Nitinol Medical Devices," Abaqus Users' Conference,Newport, Rhode Island, May 2008, pp. 438-446

作者:江丙云 仿真秀优秀讲师
明:原创文章,首发iCAEtube公众号,本文已授权,部分图片源自网络,如有不当请联系我们,欢迎分享,禁止私自转载,转载请联系我们。
形状优化仿生康复器具医疗器具静力学结构基础IsightToscaAbaqus
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2020-09-26
最近编辑:3年前
仿真圈
技术圈粉 知识付费 学习强国
获赞 8860粉丝 20193文章 3109课程 202
点赞
收藏
未登录
3条评论
Samuel Gao
签名征集中
3年前
比较清晰
回复
布丁
践行者
3年前
好的模型是件艺术品
回复
烙印战士
破后而立
3年前
比较细致
回复

课程
培训
服务
行家

VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈