前不久，筆者推送的冠脈支架的參數(shù)化建模和優(yōu)化、Abaqus網(wǎng)格卷曲WrapMesh，冠脈支架的參數(shù)化建模和優(yōu)化，以及Abaqus疲勞分析|Goodman插件等原創(chuàng)文章后，后臺留言的讀者眾多，希望多推送支架的建模仿真內(nèi)容?；诖?，我將陸續(xù)推送支架的建?；A(chǔ)、幾何和網(wǎng)格劃分、單元選擇、材料和截面屬性、分析步設(shè)置、載荷接觸和約束、收斂調(diào)整，以及后處理、參數(shù)優(yōu)化等內(nèi)容。
今天開始支架仿真的建模準備相關(guān)介紹。
一、支架基礎(chǔ)知識
1、支架是什么呢
支架是一種微小的網(wǎng)狀裝置，放置在動脈、血管或其他管道內(nèi)，保持結(jié)構(gòu)擴張以疏通血管。支架用于哪里？通常用于治療由于體內(nèi)血管阻塞或損傷引發(fā)的疾病，包括冠狀動脈疾病、外周動脈疾病、頸動脈疾病、腎血管性高血壓，以及腹主動脈瘤等。其他使用支架的還有保持擴張阻塞或受損的輸尿管、保持膽汁在阻塞的膽管內(nèi)流動、幫助氣道阻塞的病人呼吸等。
2、支架是如何工作？
收縮的支架通過一個小切口穿入，安裝到受影響的導(dǎo)管內(nèi)。支架擴張使導(dǎo)管變寬，并提供支撐以防止導(dǎo)管變窄。
3、常用的支架類型：
1）氣球脹開支架：其由由塑性變形的材料制成，通過氣球脹開進而擴張，氣球放氣后，除了稍微回彈，支架仍保持擴張狀態(tài)。
2）自展式支架：由具有較大彈性應(yīng)變的材料制成，消除約束傳遞系統(tǒng)后，支架通過彈性變形恢復(fù)至擴張狀態(tài)。
4、支架使用的材料：
1）不銹鋼廣泛應(yīng)用于氣球脹開支架；氣球脹開支架的替代材料有鉭、鉑合金、鈮合金、鈷合金等；
2）鎳鈦諾超彈性合金用于自展式支架；
3）較為前沿的新型支架材料有形狀記憶聚合物，生物可降解聚合物和生物可降解金屬。
4、支架的制造加工工藝：
1）大多數(shù)冠狀動脈支架是由激光切割制造，激光束切割出復(fù)雜的設(shè)計形態(tài)；大多數(shù)支架是從金屬管切割而來，有些是由金屬板切割，之后卷成管狀；
2）其他制造方法包括卷繞、編織、針織、水切割和光化學蝕刻等。支架的幾何設(shè)計有連續(xù)環(huán)、單獨環(huán)和編織等。其中，占據(jù)大部分市場的連續(xù)環(huán)是由一系列可擴展的Z形或S形單元組成；單獨環(huán)是由單個Z形或S形環(huán)構(gòu)成，用于支撐移植物；而編織設(shè)計，具有卓越的覆蓋性能，但在擴張期間會大幅度縮短。
二、支架仿真怎么做？
1、支架仿真的價值
支架的仿真目標有改善設(shè)計、降低產(chǎn)品開發(fā)循環(huán)周期和成本、輔助FDA認證等。
改善設(shè)計：仿真能夠獲得詳盡的應(yīng)力-應(yīng)變分布，非常重要地預(yù)測支架的疲勞壽命，同時能夠評估實驗室環(huán)境難以復(fù)制的各種體內(nèi)負載條件。
FDA 建議使用有限元分析或其他應(yīng)力分析方法，確定支架上應(yīng)力的關(guān)鍵位置；并建議使用從應(yīng)力分析中獲得的平均應(yīng)力和交變應(yīng)力，作為疲勞壽命測定的輸入。降低產(chǎn)品開發(fā)循環(huán)周期和成本：支架的制造和制樣非常昂貴且費時，仿真有助于減少需要物理測試的設(shè)計數(shù)量。
幫助FDA認證：FEA分析結(jié)果是FDA提交認證的重要組成部分。負載支架的失效可能導(dǎo)致支架的血管失去徑向支撐，或支架支柱穿孔血管。應(yīng)力分析，疲勞分析和加速耐久性試驗結(jié)合，為設(shè)備耐久性提供了指標。最終，提高產(chǎn)品在激烈市場中的競爭力。
2、支架仿真指南
1）在支架建模實踐中必須非常小心，為實際問題提供有效的解決方案；
2）Abaqus在非線性仿真方面已被證明是成功可行，這為支架建模樹立了標準；
3）使用Abaqus進行支架建模，提供一般工作流程指導(dǎo)；
4）至于模型應(yīng)該如何在支架的整體設(shè)計和FDA提交過程中使用，用戶應(yīng)該查閱相關(guān)監(jiān)管機構(gòu)提供的指南，例如，F(xiàn)DA血管內(nèi)支架和相關(guān)給藥系統(tǒng)的非臨床試驗和推薦標識；ASME受均勻徑向載荷作用的金屬血管支架的有限元分析(FEA)標準指南等。Abaqus支架建模
3、Abaqus血管支架仿真
Abaqus為支架分析提供了一套完整的解決方案。Abaqus/CAE提供了從網(wǎng)格生成到結(jié)果后處理的友好用戶界面。Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit求解器涵蓋了支架建模的力學分析需求。統(tǒng)一的FEA允許用戶使用一個模型用于不同分析目的。Abaqus多物理功能提供了廣泛的分析工具，包括流體動力學(CFD)和流固耦合(FSI)。
▲ 鎳鈦諾支架[1]
Abaqus/CAE的建模流程簡化如下圖：
三、Abaqus血管支架仿真-幾何和網(wǎng)格劃分
1. 模型介紹
支架分析模型通常包含三個主要部分：Stent支架、在制造和開發(fā)過程中與支架相互作用的工具、放置支架處的血管。
支架的建模方法取決于其制造方式，但都可以使用Abaqus/CAE創(chuàng)建激光切割支架和金屬絲支架。通常忽略不計卷曲和擴張工具的自身變形，大多數(shù)分析考慮其為剛性，有時氣球被建模為可變形的。血管通常設(shè)置為可變形體，可是已知形狀的測試血管幾何，或從醫(yī)學成像獲得腔體幾何。
2. 支架創(chuàng)建
針對激光切割支架，按照設(shè)計圖，激光束指向金屬管的軸線切割金屬管。其幾何特征有支架的外表面遵循激光切割所用設(shè)計圖，支架的側(cè)面沿圓柱的徑向；建模所用的初始幾何為用于激光切割機加的平面2D。
▲ 激光切割支架
針對激光切割支架的具體創(chuàng)建，Abaqus/CAE操作如下：
1）導(dǎo)入草圖
Abaqus/CAE導(dǎo)入平面激光切割模型，作為草圖或Part；Abaqus/CAE支持大多數(shù)幾何文件。
▲Abaqus/CAE導(dǎo)入草圖或Part
對于重復(fù)模式的設(shè)計，識別一致的胞元，通過陣列，能夠極大地簡化網(wǎng)格。
▲ 識別胞元
2）切分部件和劃分網(wǎng)格對2D部件進行切分。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，幾何體應(yīng)盡可能切分成四邊形區(qū)域，且分區(qū)邊界盡可能垂直于表面，以優(yōu)先使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分技術(shù)。
▲ 切分幾何
布種和網(wǎng)格劃分四邊形單元。在應(yīng)力預(yù)期較高的彎曲處設(shè)置細化單元，而沿著直線部分設(shè)置較少單元，并使用偏差布種以逐漸改變單元的尺寸。
▲ 劃分網(wǎng)格
3）創(chuàng)建實例在裝配環(huán)境，創(chuàng)建胞元實例Instance，再調(diào)整位置和線性陣列，以重復(fù)胞元實例，生成完整的實例。
▲ 陣列胞元，創(chuàng)建實例
4）在接縫處，合并節(jié)點
▲ 合并接縫處節(jié)點
5）平面單元拉伸為實體單元
▲拉伸實體單元
6）WrapMesh Plug-In卷曲網(wǎng)格為管狀WrapMesh插件請參考Abaqus網(wǎng)格卷曲WrapMesh。
▲ Wrap 網(wǎng)格為管狀
7）合并接縫處的重復(fù)節(jié)點
▲合并節(jié)點針對線形支架，是將金屬或聚合物線纏繞或編織在芯軸上。其幾何特征相對于胞元間距，線徑較小，通常使用Beam梁單元。如用于應(yīng)力集中研究，則使用實體單元。模型通常是先制成平面狀，再卷成管狀。
▲ 線形支架
線形支架的建模要點，同樣是要識別重復(fù)胞元，簡化模型構(gòu)建。在Abaqus/CAE中具體操作步驟如下：
1）創(chuàng)建胞元塊：凸起線
l = a / (2 cosβ)
胞元塊
2）創(chuàng)建實例
在裝配環(huán)境，導(dǎo)入凸起線4次，以創(chuàng)建重復(fù)的編織實例。
3）線性陣列重復(fù)的胞元
陣列創(chuàng)建沿軸向和周向的平面編織幾何，并合并接縫節(jié)點。
▲編織平面幾何
4）卷圓單元采用Wrap Mesh插件卷曲平面編織幾何成為管狀，并合并接縫處重復(fù)節(jié)點。
▲ Wrap Mesh管狀
3. 擴張和卷曲工具
創(chuàng)建在制造和植入時，有多個工具與支架接觸交互，包括：用于退火前擴張激光切割支架的擴張工具，用于減小支架直徑，使其匹配傳送系統(tǒng)的卷曲機，以及用于放置支架的氣球。他們的共同特征是只需創(chuàng)建與支架相互作用的表面，并通過一定的機制改變與支架相互作用的表面半徑。
其它類似的建模方法也可用于這些工具，比如使用面或膜單元建模表面，可在不考慮驅(qū)動機構(gòu)的情況下，采用徑向邊界條件模擬擴張或卷曲。
對于復(fù)雜工況，如分叉，可采用用戶子程序RSURFU建模。RSURFU子程序用于Abaqus/Standard中定義接觸對的剛體表面；仿真過程中，曲面形狀發(fā)生變化，調(diào)用子程序RSURFU，確定從面上的點是否穿透剛性面，因此，定義局部表面幾何，如果接觸發(fā)生在從屬點，Abaqus/Standard將施加約束防止穿透。有關(guān)此RSURFU子程序的詳細信息，請參閱Abaqus用戶子程序參考指南。
對于RSURFU，有ART(可調(diào)剛性環(huán)面)插件可用，用于剛性環(huán)面，模擬支架的卷曲，擴張和彎曲，但不能用于模擬分叉。同時，由于不能在Abaqus/CAE中可視化使用RSURFU定義的剛性面，因此使用DISP子程序驅(qū)動虛擬表面進行可視化。
▲ ART插件
此外RSURFU/Cylinder子程序，可通過改變圓柱形剛性表面的形狀和方向，模擬支架的卷曲、擴張、彎曲和分叉，同樣子程序剛性表面不能在Abaqus/CAE中顯示。
▲RSURFU/Cylinder子程序
對于工具的建模，在Abaqus/CAE操作如下：
1）創(chuàng)建3D可變形殼
通過拉伸草圖創(chuàng)建3D可變形殼。首先在草圖中創(chuàng)建指定半徑的圓，通過拉伸生成3D殼，其拉伸深度略大于支架長度。
▲ 創(chuàng)建3D殼
2）網(wǎng)格劃分
為了控制軸向種子數(shù)，沿軸向用直線切割圓柱表面。同時，為了接觸模擬的準確性，需生成充分變化的表面法線，故沿圓周布足夠的單元，但沿軸向只需要設(shè)置一個單元。劃分網(wǎng)格為四邊形單元。
▲ 網(wǎng)格劃分
4. 血管創(chuàng)建
根據(jù)仿真工況，支架被放置到兩種類型的血管中。1）臺式試驗中使用的塑料管，通常是直管；2）在體內(nèi)放置支架的管腔，有時幾何被理想簡化為直管或彎管，也有時采用醫(yī)療掃描數(shù)據(jù)圖像。經(jīng)常圖像被處理并轉(zhuǎn)換為STL文件，然后導(dǎo)入Abaqus/CAE。Abaqus/CAE的老版本是通過插件導(dǎo)入STL，新版本可直接導(dǎo)入。
▲ 老版本的Plug-ins STL import
5. 導(dǎo)入孤立網(wǎng)格
有時，部件作為節(jié)點和單元提供，即孤立網(wǎng)格。孤立網(wǎng)格沒有幾何特征，主要為使用其他前處理軟件生成的輸入文件、以前模型的.inp文件、前一分析結(jié)果的輸出.odb文件。
Abaqus/CAE具有導(dǎo)入孤里網(wǎng)格能力，以在新模型中使用孤立網(wǎng)格部件。可以導(dǎo)入的孤立網(wǎng)格類型有.inp、.odb，以及Nastran和Ansys輸入文件。
▲ 導(dǎo)入孤立網(wǎng)格
6. 復(fù)制對象
此外，為多次使用模型中的對象，可通過復(fù)制使模型Model之間的對象重復(fù)使用。
▲ 復(fù)制對象
除了部件之外，許多其他對象也可以被復(fù)制，包括：材料，截面，剖面，振幅和相互作用特性。通過此復(fù)制命令，可對多次導(dǎo)入的孤立網(wǎng)格進行組裝到一個Model內(nèi)。7. 展開支架有時，分析人員會將變形的網(wǎng)格展開成平面幾何，類似于鈑金件展開。
展開網(wǎng)格，是為了通過對比展平的幾何與物理測試后的支架表面，驗證有限元求解，以在變形的FDA結(jié)果基礎(chǔ)上進一步改進設(shè)計，比如，在卷曲階段設(shè)計支架，提高支架的卷曲性能。管狀支架可通過Unwrap Mesh腳本展開，同樣的，也有對應(yīng)的Unwrap Mesh插件。Unwrap插件將孤立的殼部分的網(wǎng)格以圓柱形展開，并創(chuàng)建一個新的孤立網(wǎng)格部件，如果需要，該部件將包含原網(wǎng)格和2D平面幾何。需要注意該插件只能在Part環(huán)境下執(zhí)行。
▲ Unwrap Mesh插件和功能
插件被安裝后，可通過Plug-ins → Tools → Unwrap Mesh 打開。該插件還需定義圓筒軸、將被切開的支架點，以及展開半徑等。
▲ Unwrap Mesh插件和功能
插件被安裝后，可通過Plug-ins → Tools → Unwrap Mesh 打開。該插件還需定義圓筒軸、將被切開的支架點，以及展開半徑等。
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