仿真秀专栏|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。

5、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复制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触交互，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可变形壳。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，主要为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. 复制对象

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

▲ 复制对象

除了部件之外，许多其他对象也可以被复制，包括：材料，截面，剖面，振幅和相互作用特性。通过此复制命令，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。

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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