面臨的挑戰：

結構(gou)分(fen)析(xi)，尤其是第(di)一步的(de)模態(tai)(tai)分(fen)析(xi)，在(zai)聲(sheng)音和振動分(fen)析(xi)中(zhong)有著重要作用。通過模態(tai)(tai)分(fen)析(xi)，可以找到(dao)系統在(zai)沒有外力和阻(zu)尼情況下的(de)固有頻率和振型(xing)（振動形狀(zhuang)）。模態(tai)(tai)分(fen)析(xi)的(de)結果(guo)表征了(le)結構(gou)的(de)基本動態(tai)(tai)特性，并揭示(shi)了(le)結構(gou)在(zai)動態(tai)(tai)加載下的(de)響應(ying)方(fang)式(shi)。

有限元分析(xi)采用若干種不同類(lei)型的(de)(de)(de)單元來貼近幾何形狀或原始模型。通(tong)過分析(xi)單元的(de)(de)(de)整體行(xing)為來獲得所關注(zhu)結構的(de)(de)(de)行(xing)為。圖(tu) 4 中的(de)(de)(de)流程(cheng)圖(tu)圖(tu)示(shi)了從真實模型到結果可(ke)視化的(de)(de)(de)過程(cheng)。這些步(bu)驟中的(de)(de)(de)每一步(bu)都需(xu)要幾套商(shang)業軟件，其中包括(kuo)用于(yu)結構分析(xi)的(de)(de)(de) MSC Nastran，Beta CAE 的(de)(de)(de)預(yu)處理器和后處理器 ANSA 及 Meta-post。

用市售的(de)(de)結(jie)構分析(xi)(xi)軟件 MSC Nastran 對動態(tai)頻(pin)率(lv)響應(ying)進行仿真(zhen)。在該模型(xing)中，通過 Nastran 代碼的(de)(de)形式來(lai)分配負(fu)載、頻(pin)率(lv)范圍、分析(xi)(xi)輸(shu)出及阻尼系數。該研究中進行了兩(liang)種(zhong)類型(xing)的(de)(de)分析(xi)(xi)：簡正模分析(xi)(xi)和頻(pin)率(lv)響應(ying)分析(xi)(xi)。

對(dui)替代顱(lu)骨表面的(de)響應進行仿真，其輸出(chu)為機(ji)械點阻抗的(de)速度(du)。將試驗數據與(yu)(yu)采(cai)用 MSC Nastran 的(de)點質(zhi)量方法得出(chu)的(de)結果做對(dui)比，結果顯(xian)示(shi)與(yu)(yu)試驗數據非(fei)常吻(wen)合(he)。

最(zui)后，在機械點阻抗處（MPI）用(yong) MSC Nastran 對頭部模(mo)(mo)擬器模(mo)(mo)型(xing)進行頻率響應(ying)分(fen)析。結果(guo)非(fei)常(chang)符(fu)合非(fei)結構質量（NSM）和流體(ti)結構（FS）模(mo)(mo)型(xing)中的實物試驗數據，反共振(zhen)頻率約(yue)為(wei) 75-90 Hz；振(zhen)幅水(shui)平(ping)只有 5% 的差異。 該研究證(zheng)明(ming)，有限(xian)元分(fen)析結果(guo)非(fei)常(chang)接近實物試驗，因此可以降低(di)骨錨(mao)式助聽器裝置的成本。

來自海克斯康的解決方案：

采用碳(tan)纖(xian)維(wei)復(fu)合材料(liao)的假肢腳：設計、仿真及試驗(yan)

假肢(zhi)(zhi)代表(biao)了(le)(le)先進的(de)(de)生物醫學裝置技術(shu)領域，所使用(yong)的(de)(de)假肢(zhi)(zhi)采用(yong)了(le)(le)先進的(de)(de)航(hang)空航(hang)天(tian)級復(fu)合(he)(he)材(cai)料。采用(yong)碳纖維復(fu)合(he)(he)材(cai)料開(kai)發(fa)假肢(zhi)(zhi)腳(jiao)為許多截肢(zhi)(zhi)患者恢復(fu)充(chong)滿(man)活力、喜(xi)好(hao)運(yun)動的(de)(de)生活方式鋪平了(le)(le)道路(lu)。通過(guo)結合(he)(he)先進的(de)(de)材(cai)料，了(le)(le)解復(fu)合(he)(he)材(cai)料的(de)(de)設計和特殊剛性以及航(hang)空航(hang)天(tian)制造技術(shu)，最終可以得到(dao)具有(you)(you)逼(bi)真的(de)(de)彎曲(qu)度(du)、“彈(dan)性”及強度(du)的(de)(de)假肢(zhi)(zhi)。這些栩(xu)栩(xu)如生的(de)(de)假肢(zhi)(zhi)與(yu)舊時跛(bo)腳(jiao)海盜的(de)(de)“木腿”或“殘(can)肢(zhi)(zhi)”有(you)(you)著天(tian)壤(rang)之別！這一(yi)技術(shu)已(yi)取得長足(zu)的(de)(de)進步，安(an)裝了(le)(le)復(fu)合(he)(he)材(cai)料制成的(de)(de)腳(jiao)和腿的(de)(de)賽跑者甚至有(you)(you)資格參(can)加奧(ao)運(yun)會(hui)！

好動的用戶需要“富有彈(dan)性(xing)”、結實耐用的假肢。制作此(ci)類假肢的主(zhu)要難題包括疲勞(lao)耐久性(xing)以及強度(du)、剛(gang)度(du)和重量(liang)之間的平衡。

假肢腳需要能(neng)夠(gou)適應各(ge)種地形(xing)、輕(qing)(qing)便(bian)、具(ju)有優異(yi)的(de)減震性能(neng)和(he)出色的(de)能(neng)量(liang)(liang)回饋(kui)。復合(he)材料(liao)在輕(qing)(qing)量(liang)(liang)化過(guo)程中有著舉足輕(qing)(qing)重的(de)作用。來自 Parnell 工(gong)程咨(zi)詢(xun)公司的(de) T. Kim Parnell 博士采用 MSC Marc 對足跟設(she)計(ji)進(jin)行有限元分析(xi)，嘗(chang)試(shi)不(bu)同(tong)的(de)材料(liao)屬性并提出了最佳設(she)計(ji)。

模型(xing)用(yong) MSC Marc/Mentat 進行(xing)描述(shu)，其中(zhong)接(jie)觸(chu)體(ti)的定義方(fang)式為(wei)：足(zu)跟、聚(ju)氨酯(zhi)(zhi)為(wei)柔性(xing)接(jie)觸(chu)體(ti)和過載，假定龍骨為(wei)剛(gang)性(xing)，并(bing)將材(cai)(cai)料定義為(wei)符合(he) Tsai-Wu 失效準則的復(fu)合(he)材(cai)(cai)料，然后對兩種(zhong)聚(ju)氨酯(zhi)(zhi)構型(xing)結果(guo)進行(xing)對比，以(yi)便提(ti)出最(zui)終設(she)計(ji)。

使用 Marc 進行(xing)了分析，得出的結論是：1/8" 厚(hou)的短聚(ju)氨酯(zhi)足(zu)跟會導致足(zu)跟彎(wan)度增大并且(qie)更(geng)柔韌(ren)；而對(dui)于(yu)(yu) 1/16" 厚(hou)的長聚(ju)氨酯(zhi)足(zu)跟，由于(yu)(yu)足(zu)跟接觸更(geng)均勻，因此足(zu)跟彎(wan)度下(xia)降(jiang)，并且(qie)由于(yu)(yu)較(jiao)早接觸龍骨(gu)，因此有(you)著更(geng)強的剛(gang)性(xing)反應。

將兩(liang)種(zhong)足跟(gen)類型的(de)(de)(de)不同(tong)結(jie)果(guo)進行了對(dui)比，得(de)出的(de)(de)(de)結(jie)論是：由于較(jiao)早與足跟(gen)二次接觸且較(jiao)早與龍骨接觸，因此(ci)建議的(de)(de)(de) 1/16" 長足跟(gen)剛度更大(da)。1/16" 長足跟(gen)的(de)(de)(de)剛度是逐(zhu)漸增加的(de)(de)(de)，即使在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)位移條件下足跟(gen)的(de)(de)(de)應力(li)結(jie)果(guo)也有所改善，因此(ci)可以承受更高的(de)(de)(de)負(fu)載。

總之，采(cai)用 MSC MARC/Mentat 加實物試(shi)驗的仿真(zhen)方式有助于更(geng)好地(di)理解分(fen)層失效模(mo)式。

客戶簡介：

查爾姆斯(si)理工大學和Parnell工程咨詢(xun)公司

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