心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）

芷行说 2021年1月24日浏览：2746 评论：12 收藏：20

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前言

心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）的图2

心血管支架手术方法很容易理解，医生先将极细的导管通过血管伸到动脉狭窄的部位；然后，用一个可充盈的胶皮气球将狭窄部位撑开；最后，将动脉支架撑在已被扩张的动脉狭窄处，防止其回缩。退出所有的导管后，动脉支架就留在了已经被扩张的动脉狭窄处。

心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）的图3

因此，分析这样一个心血管支架模拟问题关键也在于三点。

模拟血管被充压膨胀；
支架与血管作用，起支撑作用；
充压结束后，血管和支架有一定回弹。

采用ANSYS——APDL命令流的关键仿真模拟技术：

Mooney-Rivlin超弹性材料模型建立
接触设置
生死单元技术
多点约束技术
多载荷步技术
非线性计算稳定性优化

计算结果

心血管充压模拟：

心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）的图5

心血管释压后由支架支撑血管张口大小模拟：

心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）的图6

模型建立

一、血管阻塞模型

血管阻塞模型简化为两层，一层为动脉壁，一层为硬化的斑块。截面图如图示。

心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）的图8

心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）的图9

其中，动脉壁和硬化的斑块都采用3D实体单元建立。

动脉壁单元建立需要注意：(1)采用简化的应变强化的单元技术来表示弹塑性材料的应变强化行为。(KEYOPT(2)=3)，(应变强化为弹塑性力学里面的知识，感兴趣读者可以查阅学习)。(2)采用混合U-P技术来解决与不可压缩生物体组织材料的体积锁定行为。（体积锁定是由于不可压缩材料或者近似不可压缩材料的泊松比接近0.5，根据体积模量公式：K=E/[]3*(1-2*v)，当泊松比接近0.5，体积模量接近无穷，体积难以变形，导致体积锁死。）

ET,9,SOLID185 !185实体单元
keyopt,9,6,1 !混合U-P技术
keyopt,9,2,3 !简化的应变强化单元技术

二、支架模型

为了提高计算效率，支架采用圆形截面的梁单元建立，如果采用实体单元，支架的细小结构需要很精细的网格才能比较容易收敛。

ET,1,BEAM189SECTYPE,1,BEAM,CSOLID   !圆截面梁单元
SECDATA,0.05            !圆截面面积

先画出支架模型的线性模型[文献1]，利用梁单元进行网格划分，如下图示。

心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）的图10

三、支架与硬化阻塞斑块的接触模型

上述模型建立后，需要建立支架和硬化阻塞斑块内壁的接触行为，本文采用线面接触，对支架赋予接触单元CONTA177的特性，对硬化阻塞斑块内壁单元赋予目标单元TARGE170 的特性。

心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）的图11

材料参数

本文涉及的材料主要有两类：(1)用于支架和硬化阻塞斑块的线弹性材料；(2)用于动脉的Mooney-Rivlin超弹性材料

心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）的图13

具体的超弹性材料指定命令流如下：

!=========================================================!Define 5 parameter Mooney-Rivlin hyperelastic artery material model 
c10=18.90e-3
c01=2.75e-3
c20=590.43e-3
c11=857.2e-3
nu1=0.49
dd=2*(1-2*nu1)/(c10+c01)
tb,hyper,2,,5,mooney
tbdata,1,c10,c01,c20,c11,,dd
!=========================================================

边界&载荷条件

动脉的左端面和右端面采用多点约束(MPC)将作用在端面上的位移载荷约束分布到接触节点处，这里位移约束为0。（这里读者可以尝试对比用这种MPC技术对左右端面节点进行约束和直接将左右端面节点自由度固定两种方式的计算结果的不同。多点约束应用非常广泛，读者可以参考资料自行学习）

此外，支架的左右端面的节点约束与动脉左右端面的节点约束相同。

心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）的图15

求解设置

非线性静态计算,计算过程中接触参数自动优化以更好的收敛。

antype,0    ！静态计算
nlgeom,on   ！非线性开
cncheck,auto  ！接触参数自动优化

载荷步预览：

心血管支架移植模拟分析（ANSYS_APDL命令流）的图17

载荷步1：

载荷步1模拟动脉血管充压膨胀，以防止支架。此时，支架模型单元(被杀死)不起作用，即利用单元生死技术。

ekill,contact2   ！杀死支架-硬化阻塞斑块接触单元，支架单元被自动忽略

载荷步2，3：

充压(载荷步1)后激活支架-硬化阻塞斑块接触单元，添加支架后血管会自动平衡。

载荷步4：

释压后，血管内只有血压作用，此时硬化阻塞斑块接触单元被支架支撑，即血管被撑开以通流。这里的非线性计算中采用了基于能力损耗的的稳定性算法以提高收敛。

stab,const,energy,0.1 ！应用稳定性算法，提高收敛

资料参考

[1] Lally, C., Dolan, F, & Pendergrast, P. J. (2005). Cardiovascular stent design and vessel stresses: a finite element analysis. Journal of Biomechanics. 38: 1574-1581.

[2] 多点约束http://blog.sina.com.cn/s/blog_6817db3a0100l1yu.html

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完整的ANSYS命令流文件以及模型文件，可关注我的微信公众号：芷行说私信留言获取。