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查爾姆斯理工大學(xué)和Parnell工程咨詢公司使用海克斯康模擬仿真技術(shù)推動(dòng)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新

面臨的挑戰(zhàn)：

在本文中，我們展示了一些有趣的采用 MSC Nastran 和 MARC 的案例分析，從中可以了解如何在醫(yī)療行業(yè)充分利用有限元分析，并通過(guò)仿真讓創(chuàng)新更上一層樓。

在五種感覺(jué)中，聽(tīng)覺(jué)是感知周圍環(huán)境并進(jìn)行溝通的關(guān)鍵一環(huán)。耳的整體功能是將物理振動(dòng)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)脈沖。換句話說(shuō)，是將聲音產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成耳內(nèi)的電信號(hào)，由腦部的中樞聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行處理。

在車輛、機(jī)床、航天器、建筑物乃至衛(wèi)生器材的所有設(shè)計(jì)、實(shí)施及維護(hù)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)分析都是其中的關(guān)鍵部分。

與其他助聽(tīng)器相比，骨錨式助聽(tīng)器（通常稱為 BAHA）可以為患者提供更高水準(zhǔn)的用戶滿意度。

借助于有限元法（FEM）之類的計(jì)算力學(xué)，可以先改進(jìn)骨錨式助聽(tīng)器的性能，然后再制作真實(shí)的昂貴實(shí)物模型。

查爾姆斯理工大學(xué)的在讀博士 Lena Kim 建立了一個(gè)人體頭部三維有限元模型進(jìn)行研究，利用 MSC Nastran 的有限元結(jié)果與實(shí)物測(cè)試進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而有助于降低骨錨式助聽(tīng)器的成本。

在該研究中，開(kāi)發(fā)了一個(gè)有效的人體頭部三維有限元模型，藉此采用 MSC Nastran 研究并仿真骨傳導(dǎo)聲音的振動(dòng)模式。

有限元分析模型能讓我們研究影響骨傳導(dǎo)途徑的因素，找出產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)振動(dòng)水平的正確位置，并針對(duì)患者的具體情況進(jìn)一步優(yōu)化裝置。

結(jié)構(gòu)分析，尤其是第一步的模態(tài)分析，在聲音和振動(dòng)分析中有著重要作用。通過(guò)模態(tài)分析，可以找到系統(tǒng)在沒(méi)有外力和阻尼情況下的固有頻率和振型（振動(dòng)形狀）。模態(tài)分析的結(jié)果表征了結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)態(tài)特性，并揭示了結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)加載下的響應(yīng)方式。

有限元分析采用若干種不同類型的單元來(lái)貼近幾何形狀或原始模型。通過(guò)分析單元的整體行為來(lái)獲得所關(guān)注結(jié)構(gòu)的行為。圖 4 中的流程圖圖示了從真實(shí)模型到結(jié)果可視化的過(guò)程。這些步驟中的每一步都需要幾套商業(yè)軟件，其中包括用于結(jié)構(gòu)分析的 MSC Nastran，Beta CAE 的預(yù)處理器和后處理器 ANSA 及 Meta-post。

用市售的結(jié)構(gòu)分析軟件 MSC Nastran 對(duì)動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)進(jìn)行仿真。在該模型中，通過(guò) Nastran 代碼的形式來(lái)分配負(fù)載、頻率范圍、分析輸出及阻尼系數(shù)。該研究中進(jìn)行了兩種類型的分析：簡(jiǎn)正模分析和頻率響應(yīng)分析。

對(duì)替代顱骨表面的響應(yīng)進(jìn)行仿真，其輸出為機(jī)械點(diǎn)阻抗的速度。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與采用 MSC Nastran 的點(diǎn)質(zhì)量方法得出的結(jié)果做對(duì)比，結(jié)果顯示與試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。

最后，在機(jī)械點(diǎn)阻抗處（MPI）用 MSC Nastran 對(duì)頭部模擬器模型進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。結(jié)果非常符合非結(jié)構(gòu)質(zhì)量（NSM）和流體結(jié)構(gòu)（FS）模型中的實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)，反共振頻率約為 75-90 Hz；振幅水平只有 5% 的差異。該研究證明，有限元分析結(jié)果非常接近實(shí)物試驗(yàn)，因此可以降低骨錨式助聽(tīng)器裝置的成本。

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采用碳纖維復(fù)合材料的假肢腳：設(shè)計(jì)、仿真及試驗(yàn)

假肢代表了先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)裝置技術(shù)領(lǐng)域，所使用的假肢采用了先進(jìn)的航空航天級(jí)復(fù)合材料。采用碳纖維復(fù)合材料開(kāi)發(fā)假肢腳為許多截肢患者恢復(fù)充滿活力、喜好運(yùn)動(dòng)的生活方式鋪平了道路。通過(guò)結(jié)合先進(jìn)的材料，了解復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和特殊剛性以及航空航天制造技術(shù)，最終可以得到具有逼真的彎曲度、“彈性”及強(qiáng)度的假肢。這些栩栩如生的假肢與舊時(shí)跛腳海盜的“木腿”或“殘肢”有著天壤之別！這一技術(shù)已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，安裝了復(fù)合材料制成的腳和腿的賽跑者甚至有資格參加奧運(yùn)會(huì)！

好動(dòng)的用戶需要“富有彈性”、結(jié)實(shí)耐用的假肢。制作此類假肢的主要難題包括疲勞耐久性以及強(qiáng)度、剛度和重量之間的平衡。

假肢腳需要能夠適應(yīng)各種地形、輕便、具有優(yōu)異的減震性能和出色的能量回饋。復(fù)合材料在輕量化過(guò)程中有著舉足輕重的作用。來(lái)自 Parnell 工程咨詢公司的 T. Kim Parnell 博士采用 MSC Marc 對(duì)足跟設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析，嘗試不同的材料屬性并提出了最佳設(shè)計(jì)。

模型用 MSC Marc/Mentat 進(jìn)行描述，其中接觸體的定義方式為：足跟、聚氨酯為柔性接觸體和過(guò)載，假定龍骨為剛性，并將材料定義為符合 Tsai-Wu 失效準(zhǔn)則的復(fù)合材料，然后對(duì)兩種聚氨酯構(gòu)型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以便提出最終設(shè)計(jì)。

使用 Marc 進(jìn)行了分析，得出的結(jié)論是：1/8" 厚的短聚氨酯足跟會(huì)導(dǎo)致足跟彎度增大并且更柔韌；而對(duì)于 1/16" 厚的長(zhǎng)聚氨酯足跟，由于足跟接觸更均勻，因此足跟彎度下降，并且由于較早接觸龍骨，因此有著更強(qiáng)的剛性反應(yīng)。

將兩種足跟類型的不同結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出的結(jié)論是：由于較早與足跟二次接觸且較早與龍骨接觸，因此建議的 1/16" 長(zhǎng)足跟剛度更大。1/16" 長(zhǎng)足跟的剛度是逐漸增加的，即使在相同的位移條件下足跟的應(yīng)力結(jié)果也有所改善，因此可以承受更高的負(fù)載。

總之，采用 MSC MARC/Mentat 加實(shí)物試驗(yàn)的仿真方式有助于更好地理解分層失效模式。

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查爾姆斯理工大學(xué)和Parnell工程咨詢公司