面臨(lin)的挑戰：

在(zai)本文中，我們展示(shi)了一些有趣(qu)的采用 MSC Nastran 和 MARC 的案例分(fen)析(xi)，從中可(ke)以了解如何(he)在(zai)醫療(liao)行業充分(fen)利用有限元分(fen)析(xi)，并(bing)通過仿真讓(rang)創(chuang)新更上一層(ceng)樓(lou)。

在五(wu)種感覺(jue)中(zhong)，聽覺(jue)是感知周圍環(huan)境并進(jin)行溝通的(de)關(guan)鍵一環(huan)。耳的(de)整體(ti)功能是將物理振動(dong)轉(zhuan)換為神(shen)經脈沖。換句話說，是將聲音產(chan)生(sheng)的(de)振動(dong)轉(zhuan)換成耳內的(de)電信號，由(you)腦部的(de)中(zhong)樞(shu)聽覺(jue)系統進(jin)行處理。

在車(che)輛、機床、航(hang)天(tian)器、建筑物乃至(zhi)衛生器材的所有設計、實施(shi)及維護過程中(zhong)，結構分(fen)(fen)析都(dou)是其中(zhong)的關鍵部(bu)分(fen)(fen)。

與其他助聽器(qi)(qi)相(xiang)比，骨錨式(shi)助聽器(qi)(qi)（通常稱(cheng)為(wei) BAHA）可以(yi)為(wei)患者提供更高水(shui)準的用戶(hu)滿意(yi)度(du)。

借助于有限元法(fa)（FEM）之類的計算(suan)力學(xue)，可以先改進骨錨式助聽器的性能，然后再(zai)制作真實的昂貴實物模型。

查爾姆(mu)斯理工(gong)大學的在讀博士 Lena Kim 建(jian)立了一個(ge)人體頭部三維有限(xian)元模(mo)型(xing)進行(xing)(xing)研究，利用 MSC Nastran 的有限(xian)元結(jie)果與實物測試進行(xing)(xing)關(guan)聯(lian)，從而有助于降低骨錨式助聽器的成本。

在該(gai)研究中，開發(fa)了(le)一個有效(xiao)的人體頭部三(san)維有限元模型(xing)，藉(jie)此采用(yong) MSC Nastran 研究并仿真(zhen)骨(gu)傳(chuan)導聲音(yin)的振動模式。

有限元分析模型能讓我們(men)研究影(ying)響(xiang)骨(gu)傳導途徑(jing)的因素，找出產生聽覺振動水平的正確位置，并針對患者的具體情況(kuang)進一步優化裝置。

結(jie)構分(fen)(fen)(fen)析，尤其(qi)是第(di)一步的模(mo)(mo)態分(fen)(fen)(fen)析，在聲音(yin)和(he)振動(dong)分(fen)(fen)(fen)析中有著(zhu)重要作用。通過模(mo)(mo)態分(fen)(fen)(fen)析，可以找到系統在沒有外(wai)力和(he)阻(zu)尼情況下的固(gu)有頻率和(he)振型（振動(dong)形(xing)狀）。模(mo)(mo)態分(fen)(fen)(fen)析的結(jie)果(guo)表征了結(jie)構的基本(ben)動(dong)態特(te)性，并揭示了結(jie)構在動(dong)態加載下的響應(ying)方式(shi)。

有限元分(fen)析采(cai)用(yong)若干種(zhong)不同類型的(de)單(dan)元來貼(tie)近幾(ji)何形狀或原始模(mo)型。通過(guo)分(fen)析單(dan)元的(de)整體(ti)行為(wei)來獲得所關注結構的(de)行為(wei)。圖 4 中(zhong)的(de)流(liu)程圖圖示了從真實模(mo)型到結果可視化(hua)的(de)過(guo)程。這些步(bu)(bu)驟中(zhong)的(de)每一步(bu)(bu)都(dou)需要幾(ji)套商業軟件，其中(zhong)包括(kuo)用(yong)于結構分(fen)析的(de) MSC Nastran，Beta CAE 的(de)預處理器(qi)和后(hou)處理器(qi) ANSA 及 Meta-post。

用市售的結構分析(xi)(xi)(xi)(xi)軟件(jian) MSC Nastran 對動態頻率響應進行仿真(zhen)。在(zai)該模型中，通過 Nastran 代碼的形式(shi)來(lai)分配負載、頻率范圍、分析(xi)(xi)(xi)(xi)輸出及阻尼系數。該研究中進行了兩種類型的分析(xi)(xi)(xi)(xi)：簡(jian)正(zheng)模分析(xi)(xi)(xi)(xi)和頻率響應分析(xi)(xi)(xi)(xi)。

對替(ti)代顱(lu)骨(gu)表面的(de)(de)響應進(jin)行仿真(zhen)，其輸(shu)出(chu)為機械點阻抗的(de)(de)速度。將試驗數據(ju)與采用 MSC Nastran 的(de)(de)點質量(liang)方法(fa)得出(chu)的(de)(de)結果做對比，結果顯(xian)示與試驗數據(ju)非(fei)常吻合。

最后，在機械點阻抗處（MPI）用 MSC Nastran 對(dui)頭部模擬器(qi)模型進行頻率響應(ying)分(fen)析。結果(guo)非(fei)常(chang)符合非(fei)結構質量(liang)（NSM）和流體結構（FS）模型中的(de)(de)實物試驗(yan)數據，反共振頻率約為 75-90 Hz；振幅水(shui)平(ping)只有(you) 5% 的(de)(de)差異(yi)。 該研究證明，有(you)限(xian)元分(fen)析結果(guo)非(fei)常(chang)接近(jin)實物試驗(yan)，因此可(ke)以降低骨錨(mao)式助聽器(qi)裝(zhuang)置的(de)(de)成本。

來自海克斯康的解決方(fang)案(an)：

采(cai)用碳纖維復合(he)材料的(de)假肢(zhi)腳：設計(ji)、仿真及試驗

假肢(zhi)(zhi)代表了(le)先(xian)進(jin)的(de)生物醫學裝(zhuang)置技術領域，所使用的(de)假肢(zhi)(zhi)采(cai)用了(le)先(xian)進(jin)的(de)航空航天級(ji)復(fu)合(he)材料(liao)(liao)。采(cai)用碳纖維復(fu)合(he)材料(liao)(liao)開發假肢(zhi)(zhi)腳(jiao)為許(xu)多(duo)截肢(zhi)(zhi)患者恢復(fu)充滿活(huo)力、喜好運(yun)動的(de)生活(huo)方式鋪平(ping)了(le)道路。通過結合(he)先(xian)進(jin)的(de)材料(liao)(liao)，了(le)解復(fu)合(he)材料(liao)(liao)的(de)設計和特殊剛性(xing)以及(ji)航空航天制造技術，最終可以得到具(ju)有逼真的(de)彎曲度、“彈(dan)性(xing)”及(ji)強度的(de)假肢(zhi)(zhi)。這些栩栩如生的(de)假肢(zhi)(zhi)與(yu)舊時跛(bo)腳(jiao)海(hai)盜的(de)“木腿(tui)”或“殘(can)肢(zhi)(zhi)”有著天壤之別！這一技術已取(qu)得長(chang)足的(de)進(jin)步(bu)，安裝(zhuang)了(le)復(fu)合(he)材料(liao)(liao)制成的(de)腳(jiao)和腿(tui)的(de)賽跑者甚至有資(zi)格參(can)加奧運(yun)會！

好動的(de)(de)用(yong)戶需(xu)要(yao)“富(fu)有(you)彈性(xing)”、結實耐用(yong)的(de)(de)假肢。制作此類假肢的(de)(de)主要(yao)難題(ti)包括(kuo)疲勞耐久性(xing)以及強度、剛度和重量之(zhi)間(jian)的(de)(de)平衡(heng)。

假肢腳需(xu)要能夠適應(ying)各(ge)種地形、輕(qing)便、具有(you)優(you)異的減震性能和(he)出色的能量回饋。復合材(cai)料(liao)在輕(qing)量化過程(cheng)中有(you)著舉足輕(qing)重的作用。來自(zi) Parnell 工程(cheng)咨詢公(gong)司的 T. Kim Parnell 博士采用 MSC Marc 對足跟設計進行有(you)限(xian)元分析，嘗試(shi)不(bu)同的材(cai)料(liao)屬(shu)性并(bing)提出了(le)最(zui)佳(jia)設計。

模型用 MSC Marc/Mentat 進行描述，其中接觸體的定義方式為：足跟、聚氨(an)(an)酯為柔性(xing)接觸體和過(guo)載，假定龍骨(gu)為剛性(xing)，并將(jiang)材料定義為符合 Tsai-Wu 失(shi)效(xiao)準則的復合材料，然后對兩種聚氨(an)(an)酯構型結果進行對比，以便提出(chu)最終設計。

使用(yong) Marc 進行了分析，得出的結論是：1/8" 厚(hou)的短聚氨(an)酯足(zu)(zu)(zu)跟(gen)會導致足(zu)(zu)(zu)跟(gen)彎度(du)增大并且更柔(rou)韌；而(er)對(dui)于(yu) 1/16" 厚(hou)的長聚氨(an)酯足(zu)(zu)(zu)跟(gen)，由(you)于(yu)足(zu)(zu)(zu)跟(gen)接觸(chu)更均勻，因此足(zu)(zu)(zu)跟(gen)彎度(du)下降，并且由(you)于(yu)較早接觸(chu)龍骨，因此有著更強的剛性(xing)反應。

將兩種足跟類型的(de)不(bu)同結果進行了對比，得出的(de)結論是：由于較早與足跟二(er)次接觸且較早與龍骨(gu)接觸，因(yin)(yin)此建議的(de) 1/16" 長足跟剛度更大。1/16" 長足跟的(de)剛度是逐漸增加(jia)的(de)，即使(shi)在相同的(de)位移條件下足跟的(de)應(ying)力結果也有所改(gai)善，因(yin)(yin)此可(ke)以(yi)承受(shou)更高的(de)負載。

總之，采用 MSC MARC/Mentat 加(jia)實物試驗的仿真方式(shi)有助于更(geng)好地理解分層失效模式(shi)。

客(ke)戶簡介：

查爾姆斯理工大學(xue)和(he)Parnell工程咨詢公司

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