Abaqus血管支架仿真：几何与网格划分技巧

今天讲解Abaqus/CAE的支架几何创建及其网格划分相关内容。

1. 模型介绍

支架分析模型通常包含三个主要部分：Stent支架、在制造和开发过程中与支架相互作用的工具、放置支架处的血管。

支架的建模方法取决于其制造方式，但都可以使用Abaqus/CAE创建激光切割支架和金属丝支架。通常忽略不计卷曲和扩张工具的自身变形，大多数分析考虑其为刚性，有时气球被建模为可变形的。血管通常设置为可变形体，可是已知形状的测试血管几何，或从医学成像获得腔体几何。

2. 支架创建

针对激光切割支架，按照设计图，激光束指向金属管的轴线切割金属管。其几何特征有支架的外表面遵循激光切割所用设计图，支架的侧面沿圆柱的径向；建模所用的初始几何为用于激光切割机加的平面2D。

▲激光切割支架

针对激光切割支架的具体创建，Abaqus/CAE操作如下：

1）导入草图

Abaqus/CAE导入平面激光切割模型，作为草图或Part；Abaqus/CAE支持大多数几何文件。

▲Abaqus/CAE导入草图或Part

对于重复模式的设计，识别一致的胞元，通过阵列，能够极大地简化网格。

▲识别胞元

2）切分部件和划分网格对2D部件进行切分。为了提高网格质量，几何体应尽可能切分成四边形区域，且分区边界尽可能垂直于表面，以优先使用结构网格划分技术。

▲切分几何

布种和网格划分四边形单元。在应力预期较高的弯曲处设置细化单元，而沿着直线部分设置较少单元，并使用偏差布种以逐渐改变单元的尺寸。

▲划分网格

3）创建实例在装配环境，创建胞元实例Instance，再调整位置和线性阵列，以重复胞元实例，生成完整的实例。

▲阵列胞元，创建实例

4）在接缝处，合并节点

▲合并接缝处节点

5）平面单元拉伸为实体单元

▲拉伸实体单元

6）WrapMesh Plug-In卷曲网格为管状WrapMesh插件请参考Abaqus网格卷曲WrapMesh。

▲Wrap 网格为管状

7）合并接缝处的重复节点

▲合并节点针对线形支架，是将金属或聚合物线缠绕或编织在芯轴上。其几何特征相对于胞元间距，线径较小，通常使用Beam梁单元。如用于应力集中研究，则使用实体单元。模型通常是先制成平面状，再卷成管状。

▲线形支架

线形支架的建模要点，同样是要识别重复胞元，简化模型构建。在Abaqus/CAE中具体操作步骤如下。1）创建胞元块：凸起线

l = a / (2 cosβ)

▲胞元块

2）创建实例

在装配环境，导入凸起线4次，以创建重复的编织实例。

3）线性阵列重复的胞元阵列创建沿轴向和周向的平面编织几何，并合并接缝节点。

▲编织平面几何

4）卷圆单元采用Wrap Mesh插件卷曲平面编织几何成为管状，并合并接缝处重复节点。

▲Wrap Mesh管状

3. 扩张和卷曲工具创建

在制造和植入时，有多个工具与支架接触交互，包括：用于退火前扩张激光切割支架的扩张工具，用于减小支架直径，使其匹配传送系统的卷曲机，以及用于放置支架的气球。他们的共同特征是只需创建与支架相互作用的表面，并通过一定的机制改变与支架相互作用的表面半径。

其它类似的建模方法也可用于这些工具，比如使用面或膜单元建模表面，可在不考虑驱动机构的情况下，采用径向边界条件模拟扩张或卷曲。

对于复杂工况，如分叉，可采用用户子程序RSURFU建模。RSURFU子程序用于Abaqus/Standard中定义接触对的刚体表面；仿真过程中，曲面形状发生变化，调用子程序RSURFU，确定从面上的点是否穿透刚性面，因此，定义局部表面几何，如果接触发生在从属点，Abaqus/Standard将施加约束防止穿透。有关此RSURFU子程序的详细信息，请参阅Abaqus用户子程序参考指南。

对于RSURFU，有ART(可调刚性环面)插件可用，用于刚性环面，模拟支架的卷曲，扩张和弯曲，但不能用于模拟分叉。同时，由于不能在Abaqus/CAE中可视化使用RSURFU定义的刚性面，因此使用DISP子程序驱动虚拟表面进行可视化。

▲ART插件

此外RSURFU/Cylinder子程序，可通过改变圆柱形刚性表面的形状和方向，模拟支架的卷曲、扩张、弯曲和分叉，同样子程序刚性表面不能在Abaqus/CAE中显示。

▲RSURFU/Cylinder子程序

对于工具的建模，在Abaqus/CAE操作如下：

1）创建3D可变形壳通过拉伸草图创建3D可变形壳。首先在草图中创建指定半径的圆，通过拉伸生成3D壳，其拉伸深度略大于支架长度。

▲创建3D壳

2）网格划分为了控制轴向种子数，沿轴向用直线切割圆柱表面。同时，为了接触模拟的准确性，需生成充分变化的表面法线，故沿圆周布足够的单元，但沿轴向只需要设置一个单元。划分网格为四边形单元。

▲网格划分

4. 血管创建

根据仿真工况，支架被放置到两种类型的血管中。1）台式试验中使用的塑料管，通常是直管；2）在体内放置支架的管腔，有时几何被理想简化为直管或弯管，也有时采用医疗扫描数据图像。经常图像被处理并转换为STL文件，然后导入Abaqus/CAE。Abaqus/CAE的老版本是通过插件导入STL，新版本可直接导入。

▲老版本的Plug-ins STL import

5. 导入孤立网格

有时，部件作为节点和单元提供，即孤立网格。孤立网格没有几何特征，主要为使用其他前处理软件生成的输入文件、以前模型的.inp文件、前一分析结果的输出.odb文件。

Abaqus/CAE具有导入孤里网格能力，以在新模型中使用孤立网格部件。可以导入的孤立网格类型有.inp、.odb，以及Nastran和Ansys输入文件。

▲ 导入孤立网格

6. 复制对象此外，为多次使用模型中的对象，可通过复制使模型Model之间的对象重复使用。

▲ 复制对象

除了部件之外，许多其他对象也可以被复制，包括：材料，截面，剖面，振幅和相互作用特性。通过此复制命令，可对多次导入的孤立网格进行组装到一个Model内。7. 展开支架有时，分析人员会将变形的网格展开成平面几何，类似于钣金件展开。展开网格，是为了通过对比展平的几何与物理测试后的支架表面，验证有限元求解，以在变形的FDA结果基础上进一步改进设计，比如，在卷曲阶段设计支架，提高支架的卷曲性能。

管状支架可通过Unwrap Mesh脚本展开，同样的，也有对应的Unwrap Mesh插件。Unwrap插件将孤立的壳部分的网格以圆柱形展开，并创建一个新的孤立网格部件，如果需要，该部件包含原网格2D平面几何。需要注意该插件只能在Part环境下执行。