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在本文中，我们展示了一些有趣的采用 MSC Nastran 和 MARC 的案例分析，从中可以了解如何在医疗行业充分利用有限元分析，并通过仿真让创新更上一层楼。
在五种感觉中，听觉是感知周围环境并进行沟通的关键一环。耳的整体功能是将物理振动转换为神经脉冲。换句话说，是将声音产生的振动转换成耳内的电信号，由脑部的中枢听觉系统进行处理。
在车辆、机床、航天器、建筑物乃至卫生器材的所有设计、实施及维护过程中，结构分析都是其中的关键部分。
与其他助听器相比，骨锚式助听器（通常称为 BAHA）可以为患者提供更高水准的用户满意度。
借助于有限元法（FEM）之类的计算力学，可以先改进骨锚式助听器的性能，然后再制作真实的昂贵实物模型。
查尔姆斯理工大学的在读博士 Lena Kim 建立了一个人体头部三维有限元模型进行研究，利用 MSC Nastran 的有限元结果与实物测试进行关联，从而有助于降低骨锚式助听器的成本。
图 1.耳的结构：外耳、中耳及内耳
图2.骨锚式助听器植入物功能示意图
图 3.骨锚式助听器装置，皮肤的网状解剖数据和颅骨的 3D网格
在该研究中，开发了一个有效的人体头部三维有限元模型，藉此采用 MSC Nastran 研究并仿真骨传导声音的振动模式。
有限元分析模型能让我们研究影响骨传导途径的因素，找出产生听觉振动水平的正确位置，并针对患者的具体情况进一步优化装置。
结构分析，尤其是第一步的模态分析，在声音和振动分析中有着重要作用。通过模态分析，可以找到系统在没有外力和阻尼情况下的固有频率和振型（振动形状）。模态分析的结果表征了结构的基本动态特性，并揭示了结构在动态加载下的响应方式。
有限元分析采用若干种不同类型的单元来贴近几何形状或原始模型。通过分析单元的整体行为来获得所关注结构的行为。图 4 中的流程图图示了从真实模型到结果可视化的过程。这些步骤中的每一步都需要几套商业软件，其中包括用于结构分析的 MSC Nastran，Beta CAE 的预处理器和后处理器 ANSA 及 Meta-post。
图4.有限元过程
用市售的结构分析软件 MSC Nastran 对动态频率响应进行仿真。在该模型中，通过 Nastran 代码的形式来分配负载、频率范围、分析输出及阻尼系数。该研究中进行了两种类型的分析：简正模分析和频率响应分析。
对替代颅骨表面的响应进行仿真，其输出为机械点阻抗的速度。将试验数据与采用 MSC Nastran 的点质量方法得出的结果做对比，结果显示与试验数据非常吻合。
最后，在机械点阻抗处（MPI）用 MSC Nastran 对头部模拟器模型进行频率响应分析。结果非常符合非结构质量（NSM）和流体结构（FS）模型中的实物试验数据，反共振频率约为 75-90 Hz；振幅水平只有 5% 的差异。该研究证明，有限元分析结果非常接近实物试验，因此可以降低骨锚式助听器装置的成本。
图5.NSM 模型中骨锚式助听器所在位置的机械点阻抗值。红线表示采用NSM 模型的仿真结果，蓝线表示来自耳蜗的实验数据。
采用碳纤维复合材料的假肢脚：设计、仿真及试验
假肢代表了先进的生物医学装置技术领域，所使用的假肢采用了先进的航空航天级复合材料。采用碳纤维复合材料开发假肢脚为许多截肢患者恢复充满活力、喜好运动的生活方式铺平了道路。通过结合先进的材料，了解复合材料的设计和特殊刚性以及航空航天制造技术，最终可以得到具有逼真的弯曲度、“弹性”及强度的假肢。这些栩栩如生的假肢与旧时跛脚海盗的“木腿”或“残肢”有着天壤之别！这一技术已取得长足的进步，安装了复合材料制成的脚和腿的赛跑者甚至有资格参加奥运会！
好动的用户需要“富有弹性”、结实耐用的假肢。制作此类假肢的主要难题包括疲劳耐久性以及强度、刚度和重量之间的平衡。
假肢脚需要能够适应各种地形、轻便、具有优异的减震性能和出色的能量回馈。复合材料在轻量化过程中有着举足轻重的作用。来自 Parnell 工程咨询公司的 T. Kim Parnell 博士采用 MSC Marc 对足跟设计进行有限元分析，尝试不同的材料属性并提出了最佳设计。
模型用 MSC Marc/Mentat 进行描述，其中接触体的定义方式为：足跟、聚氨酯为柔性接触体和过载，假定龙骨为刚性，并将材料定义为符合 Tsai-Wu 失效准则的复合材料，然后对两种聚氨酯构型结果进行对比，以便提出最终设计。
图6.碳纤维假肢脚——组件：足跟、龙骨、过载、聚氨酯（脚趾和足跟）
使用 Marc 进行了分析，得出的结论是：1/8" 厚的短聚氨酯足跟会导致足跟弯度增大并且更柔韧；而对于 1/16" 厚的长聚氨酯足跟，由于足跟接触更均匀，因此足跟弯度下降，并且由于较早接触龙骨，因此有着更强的刚性反应。
图 7.建议的1/16” 长足跟
图 8.最初的1/8” 短足跟
将两种足跟类型的不同结果进行了对比，得出的结论是：由于较早与足跟二次接触且较早与龙骨接触，因此建议的 1/16" 长足跟刚度更大。1/16" 长足跟的刚度是逐渐增加的，即使在相同的位移条件下足跟的应力结果也有所改善，因此可以承受更高的负载。
总之，采用 MSC MARC/Mentat 加实物试验的仿真方式有助于更好地理解分层失效模式。
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