1、问题描述

1.1 几何模型

根据微创医疗所提供的3D模型文件可知，支架的几何结构具有明显的重复性和对称性。

根据支架结构的特点，在建立有限元模型之前，有必要对支架结构进行简化。简化思路如下：

考虑到轴向的重复性，可以选取一半长度的支架进行分析

这样做的目的主要是降低仿真分析的求解时间。

（a）支架RL的实体模型(对称)

(b)支架RM的实体模型

(c)支架RS的实体模型

2.2 有限元模型

支架的外径为1.80mm，而其径向厚度仅仅为0.1mm左右。考虑到仿真分析结果的准确性和计算效率，进行网格划分优先考虑具有中间节点的单元类型。ANSYS软件中的18X系列单元支持各种非线性因素和积分算法，在进行有限元网格划分时，采用20节点六面体实体单元SOLID186进行模型的离散化。

采用实体单元SOLID186进行网格化，考虑到分析的精度和求解时间，单元大小为0.03mm，这样可以保证在厚度方向具有三层单元，并能抓住外表面特征。对RL整个模型的规模大约在222264个单元，55723个节点。计算模型单元网格如图所示。 

支架RL的有限元模型

第三阶段单元、节点数

	RL(对称计算)	RM	RS
节点	222264	391430	227991
单元	55723	97815	59450

2.3 载荷情况

整个支架在体外进行压握，将之装配在球囊上，然后卸载，有一定的回弹量，这个阶段称之为压握回弹过程。

RL：支架原始外径为1.80mm，壁厚0.1mm，压握到0.046英寸，扩张到4.0mm的内径

RM：支架原始外径为1.80mm，壁厚0.1mm，压握到0.042英寸，扩张到3.0mm的内径

RS： 支架原始外径为1.80mm，壁厚0.1mm，压握到0.040英寸，扩张到2.5mm的内径

在支架压握时，在支架外部构建一个完整的圆柱面来代替紧缩支架用的预装机内表面。如下图所示。 

支架压握过程仿真的有限元模型

同样的道理，支架扩张时，在支架内部构建一个完整的圆柱面来代替球囊。在仿真分析时，将径向压握量和径向扩张量作为位移载荷施加在相应的圆柱表面上。

2.4 边界条件

支架压握阶段，外部圆柱面受到径向压握，带着支架一起沿径向收缩，因此在圆柱面和支架的外表面之间建立接触关系。 

接触面

为了保证支架在模拟过程中不发生刚**移，支架的约束如下：

支架在坐标系原点位置的一端施加Z向对称约束，另一端保持自由状态，圆柱面在坐标系原点的一端约束Z向位移，另一端也是自由的。如图所示。 

边界条件

2.5仿真分析所用单位

整个计算过程中所采用的单位系统为：长度- 毫米(mm)；质量-千克(kg)；时间-秒(sec)；

导出单位：密度-千克/毫米(kg/mm）；弹性模量-MPa

2.6材料数据

本次仿真分析的支架材料数据根据拉伸实验获得，一共有五条数据曲线，如下图所示。 

拉伸实验试样获得的应变－应力关系曲线（五次实验）

同时考虑到该分析是大应变分析，所以将测试结果由工程应力－应变转化为对数应力－应变。具体公式如下：

其中分别是工程应力和应变，分别是真实应力和应变。

对以上五条曲线进行了平均，以作为仿真计算时采用的材料数据，并转化为真实应力和应变，如下图所示。

支架的材料本构采用各向同性的多线性等向强化塑性材料，其具体材料数据如下表所列。

仿真计算采用的真实应变－应力关系曲线

mp,ex,1,159260 !mpa

mp,nuxy,1,0.3

tb,miso,1,1,51,0

tbtemp,0          

tbpt,,                         0.003   ,   477.78  

tbpt,,           0.00400198137929801   ,   485.645261896971               

tbpt,,           0.00499749171029185   ,    491.28464451213               

tbpt,,           0.00602183231849428   ,   496.212684357084               

tbpt,,           0.00701533489390493   ,   500.288073025352               

tbpt,,           0.00796816964917688   ,   504.552871387214               

tbpt,,           0.00899938379680061   ,   508.749318391981               

tbpt,,           0.00995033085316809   ,   512.862487419316               

tbpt,,            0.0198124311696903   ,   557.757125704519               

tbpt,,            0.0295685109322791   ,   599.943338344679               

tbpt,,            0.0392399437376031   ,    639.29936880197               

tbpt,,            0.0488853977298107   ,   678.986870278694               

tbpt,,            0.0583066432610532   ,   712.226443204784               

tbpt,,            0.0676866854639523   ,   743.872975354826               

tbpt,,            0.0769888185281108   ,   774.858557105904               

tbpt,,            0.0862235667486175   ,   805.348545667944               

tbpt,,            0.0953647237713211   ,   834.717847076894               

tbpt,,              0.10440505935479   ,   862.907320682247               

tbpt,,             0.113346542290423   ,   889.818782153394               

tbpt,,             0.122244181044406   ,   916.331457076897               

tbpt,,             0.131045806112162   ,    942.68875698905               

tbpt,,             0.139770637989526   ,   968.401087408753               

tbpt,,             0.148463107637622   ,   992.910909380053               

tbpt,,             0.157055029546067   ,   1016.00646493606               

tbpt,,             0.165556810461224   ,   1039.15376359261               

tbpt,,             0.173961710449475   ,   1061.87113921024               

tbpt,,             0.182321556793955   ,    1085.1603774992               

tbpt,,             0.190661681068956   ,   1106.10741810492               

tbpt,,             0.198900037863721   ,   1127.17421327566               

tbpt,,             0.207030429414733   ,   1147.57574339131               

tbpt,,             0.215127508519132   ,   1168.12921190579               

tbpt,,              0.22315155128221   ,   1187.93806346182               

tbpt,,             0.231127593853285   ,   1207.27709458347               

tbpt,,             0.239040522238748   ,   1225.77933126301               

tbpt,,             0.246867890401008   ,   1244.05048099433               

tbpt,,             0.254642218373581   ,   1262.81327146732               

tbpt,,             0.262364264467491  ,     1280.4339841556               

tbpt,,             0.262418109171685  ,    1280.53484382206               

tbpt,,              0.27007293769092  ,    1298.16399372538               

tbpt,,             0.277639312327159  ,    1314.26297802174               

tbpt,,             0.285216535511989  ,     1330.9437499218               

tbpt,,             0.292699464263564  ,     1347.0516409768               

tbpt,,             0.30012681442565  ,     1363.42645898228               

tbpt,,             0.307514111080149 ,     1378.98378486571               

tbpt,,             0.314839936494099 ,     1394.32489301277               

tbpt,,             0.322112484256288 ,     1409.91274046538               

tbpt,,             0.329325329643509 ,     1425.09382827041               

tbpt,,             0.336479379452846 ,     1440.13525791645               

tbpt,,             0.343603888686642 ,     1454.88014890507               

tbpt,,             0.351008922312106 ,     1466.00202516804               

tbpt,,             0.351332699528057 ,     1466.57379293172    

 

支架仿真分析的材料参数

零件	材料型号	杨氏模量(MPa)	泊 松 比
支架	未知	1.59e5	0.3

2.7.支架RL压握扩张过程的分析

2.7.1 River冠脉支架RL压握回弹的分析结果

2.7.1.1 应力应变结果

根据以上的参数分析，设置如下的总体参数进行计算：

接触算法采用Standard算法

同时为了考察支架压握之后的回弹量，取支架自由端位置的四个点进行径向上的位移－时间历程后处理。

在压握阶段的结果如下： 

变形图 

有效应力图

上图中，支撑环波杆中间平直位置的等效应力很小，基本上只有十几兆帕左右，而在连接筋上的应力分布也存在一定的规律性。

弹性应变

塑性应变

从上图中可以看出，塑性应变的分布规律：弯折处的应变较大，而其他位置的应变几乎为0。

在回弹阶段的结果如下： 

回弹之后的等效应力 

回弹之后的等效弹性应变 

回弹之后的等效塑性应变

2.7.1.2 变形结果

在压握完成之后，四个点的径向位移分别是0.61766，0.60793，0.58389，0.61609mm。

回弹之后，对应的径向位移分别是0.0344，0.0231，0.0344，0.0551mm。

径向回弹率＝径向回弹量/压握外径×100％

River冠脉支架RL端部径向位移结果

压握外径（mm）	位置1	位置2	位置3	位置4	均值
回弹量	百分比	回弹量	百分比	回弹量	百分比	百分比	回弹量	百分比
1.1684	0.0344	2.94％	0.0231	1.97％	0.0344	2.94％	4.71％	0.0551	3.14％

压握时支架自由端会伸长，其轴向伸长率计算公式如下：

轴向伸长率＝轴向伸长量/轴向长度×100％

疲劳寿命的预测计算

支架RL的最小寿命值为9.342（常用对数值）， 计算的最小疲劳安全系数为1.172。

支架RM的最小寿命值为9.541（常用对数值）， 计算的最小疲劳安全系数为1.195。

支架RS的最小寿命值为9.502（常用对数值）， 计算的最小疲劳安全系数为1.188。