Abaqus血管支架仿真攻略之几何创建与网格划分

作者：江丙云，仿真秀平台优秀讲师

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：

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