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J75G-200闭式高速压力计结构有限元分析及改进设计.doc
LW01-007@J75G-200闭式高速压力计结构有限元分析及改进设计
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机械毕业设计 论文
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LW01-007@J75G-200闭式高速压力计结构有限元分析及改进设计,机械毕业设计 论文
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1 广陵 学院毕业设计（论文）任务书 系 部： 机械电子工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 陈建平 学号： 100007101 毕业（论文）题目： J75G-200 闭式高速压力机 结构 有限元分析及改进设计 起 迄 日 期： 2014-02-20 2014-05-30 设计（论文）地点： 机械工程学院 5 楼机房 指 导 老 师： 郑 翔 专 业 负 责 人： 龚俊杰 发任务书日期： 2014 年 2 月 20 日 nts 2 毕业设计（论文）任务书 1、本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 本课题来源于江苏扬力集团有限公司 。 J75G-200 闭式高速压力机 是该公司根据市场需求而开发研制的产品。要求我们运用有限元分析技术对 J75G-200 闭式高速压力机进行结构分析并给出优化方案。通过本课题的研究 ,为提高压力机产品的性能，质量和寿命，降低产品成本提供科学计算分析的依据，增强其产品在市场的竞争力。 本课题的目的在于巩固和扩大学生在校期间所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决工程中的实际问题的能力；培养学生调查研究以及资料、信息获取和分析的能力；培养学生在设计过程中使用计算机的能力；培养学生撰写论文的能力；培养学 生创新能力和创新精神。 通过本课题的研究，使学生能够掌握有限元分析软件，有限元建模、边界条件的确定、载荷模拟及结构应力应变场的分析及优化设计等现代设计方法。 2、本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 2.1 任务内容 要求运用有限元分析软件 ANSYS 对 J75G-200 闭式高速压力机 进行有结构静态分析、模态分析以及结构优化设计。利用静态有限元分析，校核液压机机身部件的强度和刚度，并且根据分析的结果进行结构优化设计以达到降低生产成本，提高经济效益。模态分析可以求出机身振 动的固有频率以及相应的振型，分析各种振型对压力机工作状态的影响。这对于了解液压机现有结构的力学特性以及进而改善其结构有重要的意义，为压力机的设计提供了理论和现实依据。主要任务内容有： （ 1） 对 J75G-200 型 压力机机身 进行三维实体建模 ； （ 2） 了解 J75G-200 型 压力机 工作性质和工作状态 ；对其进行工作载荷分析，确定边界条件及加载方案； （ 3） 划分网格，进行有限元结构静态分析，求出机身的应力和应变分布规律， 评价载荷对压力机工作性能的影响； （ 4） 对 机身 模型进行 自由 模态分析，求解 机身 固有频率以及相应的振型等动态参数，分析其对工作 状况的影响。 （这项选做 ） ； （ 5） 根据分析结果，在应力集中危险区域采取措施改善应力状况；在低应力区域，改变相关尺寸变量，以达到减轻部件总体质量的目的。重新进行有限元分析，检验改变尺寸后的刚度和强度。重复进行以上步骤，直到获取最佳方案。 nts 3 2.2 原始条件及数据 该设备的主要参数如下 : 型 号 : J75G-200； 公 称 压 力 : 2000KN； 滑块行程： 30mm； 标准行程次数 : 150450； 机身材料：底座 QT600-3，密度 37120 mkg ； 横梁 HT300，密度 37300 mkg ； 其他数据（材料等）见图纸。 2.3 技术要求 （ 1） 要求校核 J75G-200 型 压力机在承载条件下的刚度和强度。 （ 2） 要求在保证压力机强度和刚度的条件下对压力机主要部件进行优化设计。 （ 3） 分析压力机的模态，并对压力机的工作状况进行评估。 2.4 工作要求 （ 1） 在深刻领会任务内容及要求的基础上，查找相关的文献资料。（ 20 篇以上，除了教师已列出的文献），通过查阅文献资料认真研究原始材料，写出开题报告； （ 2） 进行理论学习、上机操作、数据处理、分析总结、整理资料， 完成与任务书要求相应的工作，并撰写成毕业论文，独立完成毕业设计的各项工作； （ 3） 毕业论文或设计说明书需符合规范化要求，即：由中外文题名、目录、中外文摘要、引言（前言）、正文、结论、谢辞、参考文献和附录组成，中文摘要在 400 汉字左右，外文摘要在 250 个实词左右，中文题名字数一般不超过 20 个，设计说明书、论文或软件说明书的总字数在 1.52 万汉字； （ 4） 完成英译中资料一份； （ 5） 毕业设计必须按时按量在规定的地点认真完成。 nts 4 毕业设计（论文）任务书 3、对本毕业设计（论文）课题成果的要求（包括毕业设计论文、 图 表、实物样品等）： （ 1） 完成实习调研报告一份； （ 2） 完成开题报告一份； （ 3） 完成按本任务书第二项内容所述要求撰写研究论文 一篇 ，篇幅不少于 2 万字；。 （ 4） 完成英译中资料一份， 不少于 5000 字符 。 4、主要参考文献： 1 梁森 .开式数控回转头压力机机身的有限元分析及优化 D:硕士学位论文 . 山东：山 东工业大学机械系， 2001. 2 雷小宝 .新型数字化压力机的研制 D： 硕士学位论文 .合肥：合肥工业大学， 2007. 3 张祖芳 .开式压力机机身的有限元分析及优化设计 D:硕士学位论文 .南京：东 南大学， 2004. 4 周平 .新型压力机机身有限元分析及优化 D:硕士学位论文 .南京：南京理工大学，2007. 5 江克斌 , 屠义强 , 邵飞 .结构分析有限元原理及 ANSYS 实现 . 北京 : 国防工业出社 . 6 高耀东 , 郭嘉平 .ANSYS 机械工程应用 25 例 . 7 刘茜，董正身，基于 ANSYS 的 C 型液压机机身有限元分析，机械设计与制造， 2006，1001-3997 8 刘强，付文智，李明哲 .三梁四柱式多点成形压力机机架结构有限元分析和优化设计 .塑性工程学报 .2003,10(5) 9 傅志方，华宏星 .模态分析理论与应用 .上海 :上海交通大学出版社 ,2000 10 张洪武有限元分析与 CAE 技术基础 M北京：清华大学出版社， 2004 11 傅永华有限元分析基础 M武汉：武汉大学出版社 ,2003 8 12 侯晓望 , 童水光 . 基于有限元分析的液压机结构优化 J. 浙江大学学报 , 2005, 4: 46-48 13 尚晓江 , 邱峰 .ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用，北京 :中国水利水电出版社 ,2008 14 王文玷，田保杰 科技论文写作与发表 北京：国防工业出版社 . 15 尚晓江等 . ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用 .中国水利水电 出版社 .2006.1 16 章争荣，孙友松等，开式数控回转头压力机机身结构及其对刚度的影响，锻压机械，2001， 3 17 钟志华，周彦伟 . 现代设计方法 .武汉理工大学出版社 .2001.8. 18 雷小燕 .有限元法 .中国铁道出版社 .2000.10 19 龚曙光 .ANSYS 基础应用及范例解析 .机械工业出版社 .2003.1 nts 5 毕业设计（论文）任务书 5、本毕业设计（论文）课题工作进度计划 起止日期 工 作 内 容 第 1-2 周： 第 3-4 周： 第 5-7 周： 第 8-10 周： 第 11 12 周： 第 13-15 周： 收集阅读与课题有关的中英文资料 15 篇； 翻译英文资料 ； 毕业实习，并完成实习报告； 调查研究、分析课题，提交开题报告； 有限元软件（ ANSYS）操作练习； 对压力机机身进行有限元建模研究； 结构分析，有限元计算，数据处理； 给出优化方案及分析结果 。 撰写毕业论文 。 对所做工作进行总结、分析、做 PPT,准备毕业答辩 。 所在专业审核意见： 负责人： 年 月 日 学院意见： 院长： 年 月 日 nts广陵 学院毕业设计（论文）中期检查表 学生姓名 陈建平 学号 100007101 指导教师 郑 翔 选题情况 课题名称 J75G-200闭式高速压力机结构 有限元分析及改进设计 难易程度 偏难 适中 偏易 工 作 量 较大 合理 较小 符合规范化 的要求 任务书 有 无 开题报告 有 无 外文翻译质量 优 良 中 差 学习态度 出勤情况 好 一般 差 工作进度 快 按计划进行 慢 中期工作汇报及解答问题 情况 优 良 中 差 中期成绩评定： 所在专业意见： 负责人 年 月 日 nts 广陵 学院毕业设计（论文）前期工作材料 学生姓名： 陈建平 学号： 100007101 系 部： 机械电子工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计（论文）题目： J75G-200 闭式高速压力机结构 有限元分析及改进设计 指导老师： 郑 翔 材 料 目 录 序号 名 称 数量 备注 1 毕业设计（论文）选题、审题表 1 2 毕业设计（论文）任务书 1 3 毕业设计（论文）实习调研报告 1 4 毕业设计（论文）开题报告（含文献综述） 1 5 毕业设 计（论文）外文资料翻译（含原文） 1 6 毕业设计（论文）中期检查表 1 2014 年 4 月 8 日 nts 1 对于梗死后心室间隔破裂的心内膜片修补大小、刚度和接触条件 的 有限元分析 伊藤寿章 1，萩原宏明 2，前川淳夫 1，武德山崎 3 1 日本红十字会名古屋第一医院 心血管外科 ； 2 春日市医院 心血管外科 ； 3 海南医院 心血管外科 摘 要 :本研究的目的是建立一个合理的手术设计，来减少内膜片的缝合线应力，从而防止在梗死后室间隔破裂（ VSR）手术中的残余漏。一个为 VSR 模拟手术的计算机模型被开发了。使用有限元分析计算在心脏的内表面上的内膜片在不同的大小，硬度和接触接触条件下内膜片缝合线应力。从 1995 年到 2012 年进行审查接 受 VSR 紧急手术的。平均年龄为 72.69.5（范围 5589）34 例患者的临床结果和回声的发现。在模拟心包片安装在隔面的基本条件下缝合线应力下降了三分之二的大小或者在比较的内膜片的刚度提高。另一方面，在内膜片下方的死空间缝合线应力增加了 6 倍， 30 天的死亡率为 12%，住院死亡率为 18%。超声心动图，所有三例患者死亡空间下方的补丁有残余漏。另一个病人有巨大后缺陷也显示残余漏。临床结果相匹配的模型结果。接受手术的所有患者的 5 年生存率为 68.79.3%。在室间隔破裂的心内膜斑块类型手术中，在无张力条件下与心内膜 面相匹配的适当的贴片避免残余漏的最重要。 关键词 ：心肌梗死；室间隔破裂；计算机应用 1.介绍 为了避免膜片在 VSR 紧急手术脱离，已经提出了 几种手术技术 。 David4等人专注于排除一切梗死区 的膜片扩大。 其他人 集中在使用透壁的间断缝合 1， 5， 6加固缝合线。关于膜片材料，xenopericardium，聚四氟乙烯 毛毡 ， 两者的结合 7，并且进一步使用生物胶加强被报道了。 本研究的目的是估计缝合 线应力的变化 ， 这个可能导致 在 VSR 手术 中膜片裂开 ， 根据 斑块性质的各种变化， 利用计算机模型，并根据理论模型分析临床结 果。 2.患者和方法 这项研究是由伦理委员会批准 ， 并 从每个患者获得手术书面知情同意。 以书面形式或 通过电话从每个病人或其家庭成员获得 数据收集 和利用的同意。 2.1 理论模型分析 为了模拟左心室室间隔穿孔，简化计算机模型被开发了。一个 6 厘米内径和壁厚 1 厘米的球是左心室的假定。隔缺损被表示为一个圆形缺陷，在直径 1.4 厘米，在球体的壁上。该模型分为四面体网格进行有限元分析（ FEA）。 Solid Works 的模拟（ Solid Works 的，东京，日本）用于有限元分析 。作为用于有限元分析计算的材料，软橡胶制成球形假设 （年轻的比 =2106/m2，泊松比 =0.49）。 nts 2 作为基本条件，一个凹状橡胶（杨氏比率 = 2106/m2 ，泊松比 = 0.49 ）， 0.25 毫米的厚度附着在球内的一个圆形线远离缺陷的中心有一个 40 中心角（图 1） 。将膜在被施加内压力前安装到球体的内表面。这个模型代表了 xenopericardial 心内膜片，广泛覆盖室间隔平原。 膜 和球体 只有在膜的边缘 连接。 膜 和 球体的内表面之间的摩擦被认为是零，因为在跳动的心脏的接触状态 在模型的条件不是一成不变的 ，和摩擦似乎可以忽略不计。 该连接线的宽度被定义为 0.5mm 左右 。缝合线应力和膜片的变形在 120 毫米汞柱的内部压力下被计算。由于 缝合线中断通常发生在心内膜表面，不在临床的设置 的膜片上 ，在球体的内表面上的 计算 缝合线应力。 因为壁应力通常有一个方向和一个值，冯小姐的方法被用来表达平均壁应力的绝对值。 图 1 在静态基本条件下 左心室模型的四面体网格图像 和心内膜片 一种膜 片沿球体的内表面附着在一个 40 中心角圆线。 膜片的中心对准缺陷的中心。球体的直径为 6 厘米，壁厚 1 厘米，和缺陷的直径是 14 毫米。 2.1.1 膜片大小对缝合线压力的影响 只有膜片尺寸代表心包膜片是从上述基本条件改 变的。对于一个只覆盖周围的缺陷的一个小膜片模型，在缺陷的中心和圆形缝合线之间的中心角减小到 30。那么，对于一个大的补丁，覆盖心内膜更广阔的领域为梗塞排除技术的典范，圆形缝合线的圆心角提高到 60。 2.1.2 膜片刚度的影响 模仿 心包 膜 片 的 二次加固 用聚四氟乙烯来 增加 膜片 的 刚度 ， 第二个膜片制成固体橡胶 （ 年轻的比 = 2107 /平方米，泊松比 = 0.49）， 1 毫米的厚度是附在软的橡胶片的基本条件。 第二个膜片被牢固地连接到主 要膜 片，而不是心室球体。 2.1.3 膜片和左心室的内表面之间的接触状态的影响 当心包膜片 剪裁太小，并且不合适到左心室的凹心内膜表面，缝合线应力可能增加。模仿这种情况下，一个代替凹形的普通橡胶膜被附着到除了 VSR 中心的 40 环形线。 2.1.4 缺陷尺寸对缝合线应力的影响 nts 3 通过梗塞模拟一个非常大的间隔缺损或手术扩大缺陷，设置一个 2.5 厘米直径的缺陷。其他条件和基本条件相同。当二次加固时计算缝合线应力（年轻的比 = 8107/平方米，泊松比 = 0.49），厚度 1 毫米，被添加到这个情况。 2.2 临床评价 在 1995 和 2012 之间，在我们的设施 34 位的患者接受了梗死后 VSR 紧急手术。患者的临床资料列于 表 1。在入院当天或一旦确认诊断的所有被涉及的患者在紧急情况下进行手术的患者。五个不同的外科医生进行手术。直到慢性期我们才推迟手术等待梗死组织的纤维化，和运行在所有患者称我们的设施没有任意的选择标准，即使病人抢救中的地位。两个病人一直伴随左心室游离壁破裂。三例患者已经在慢性状态（在 VSR14 天后）时在研究期内提到的心脏病专家被排除在外，因为慢性 VSR 不同于急性状态，通常处理起来没有困难 收集追溯数据。从医院的记录中得到医院的发病率和死亡率 。医院 的幸存者的现状及后期并发症 ， 通过电话或者查询 病人 的病例 或他 /她的家 庭成员确定 。 得到 2012 年 3 月到 6 月之间的生存资料。在 44 个月这段期间随访率为 97。术后超声心动图的结果对特别关注的膜片大小，使用二次膜片对心内膜的接触条件和残余漏进行评价。如果显著残余漏涉嫌在超声心动图，通过血氧饱和度计算分流比。 表 1 术前 患者的临床 资料 （ N = 34） 变量 年龄（ 岁） 72.60.5（ 5589） 男、女 11/ 23 糖尿病 8 高血压 14 以前的 MI 4 溶栓 或直接 PCI 1/13 1 / 2 / 3 支病变 30/4/0 前 /后 VSR 25/9 AMI 的 VSR（天） 2.92.5（ 0.3-10） VSR 手术（天） 1.62.2（ 0.2-13) 术前 IABP 32 心源性休克 22 气管插管 8 强心剂 32 MOF 6 Qp/ Qs 3.4 1.0 (1.56.1) nts 4 AMI:急性心肌梗死 IABP:主动脉内球囊泵 MI:心肌梗死 MOF:多器官衰竭 PCI:经皮 冠状动脉介入治疗 Qp/Qs:肺全身流动比率 VSR:室间隔破裂 2.3 手术技术 在这一时期我们使用了三种不同类型的外科技术：牛或马心包膜梗死排除技术 (Edwards Lifesciences, Irvine, CA)，隔片与异种心包，和异种心包隔片加聚四氟乙烯毛 毡 二次加固。我们隔片技术细节（整个间隔膜片技术）及其改进已经报道 5， 6 。在最近的患者，缝合大量心包膜片后几乎完全覆盖的室间隔，定制聚四氟乙烯毛毡片比心包片更小被插入的下方并用 纤维蛋白胶和几个的间断缝合固定于 心包膜片 。这二次毡补丁是为了防止变形和 软心包片突入间隔缺损 ， 可能会导致在 缝合线 上 不必要的压力。 2.4 统计分析 所有的统计数据分析使用 SPSS 统计 17.0 进行（日本 IBM，东京，日本） 。用 Kaplan-Meier法计算精算存活率和使用对数秩检验进行评价组间的比较。 3.结果 3.1 理论模型分析 计算了在碱性条件下，各元素的变形，并在图 2a 所示。薄橡胶片沿球体突出的内表面缺陷4.6 毫米在 120 毫米汞柱内施加压力。颜色栏显示变形程度。球体的每个单元收到的应力如图 2b所示。颜色栏显示应力使用的冯小姐方法计算。仅球体被描绘于图 2b，而膜没有， 因为在球侧计算 缝合线应力 。 沿膜片缝合线的元素接收的高应力由红色表示。在基本设定下平均缝合线应力计算为 1.60 105N /平方米。 3.1.1 膜片大小 对缝合线压力的影响 对于一个小尺寸膜片缝合线应力为 1.99105/平方米，对于一份大尺寸膜为 1.05105/平方米。随着补丁的大小的增加 缝合线 应力降低 （ 图 3）。 nts 5 图 2 a.120 毫米汞柱内压力下的一个变形元素被应用到基本条件模型色条显示变形量，面对室间隔缺损膜片中心突起为 4.6 毫米 ,球也有轻微的变形 b.在 120 毫米汞柱内压力下每个元素的盈利被应用到模型基本条件，应力计算使用的冯小姐方法增加的颜色从蓝色变为红色。沿膜片的圆形缝合线单元接收高应力 图 3 在缝合线应力图像中的大的膜片缝合线应力 是小的一半 3.1.2 膜片刚度的影响 在基本条件当一个二次支撑膜片连接到主要的薄膜片，缝合线压力降至 1.15105N/m2 的。相比那些没有支撑的当一个二次膜片被添加时膜片的变形下调到 1.4 毫米（图 4）。 图 4 当一个二次支撑膜片被添加时的变形元素膜片的变形降低至 1.4mm 3.1.3 膜片和左心室的内表面之间的接触状态的影响 当膜片是平的并没有接触球体的内表面，计算平均缝合线应力为 1.05106 N /平方米，在基本条件下几乎是六倍以上。（图 5）。 nts 6 图 5 模型显示在心内膜表面膜片接触不充分 a.一个普通的膜片是在碱性条件下连接到相同的缝合线，该模型被分为一个四面体网格 b.沿膜片的缝合线非常高应力所表现出的红色圆带 3.1.4 一个扩大的缺陷的影响 当直径中缺陷尺寸由 1.4 增大到 2.5 厘米，缝合线应力增加到 4105 N /平方米。在这些条件下通在主要膜片下面添加一个次要修补膜片，缝合线应力下降到 2.5105 N /平方米，膜片的变形明显下降。 3.2 临床结果 三十天和住院的接受一次手术的所有病人的死亡率分别为 11.8（ 4 34）和 17.6%（ 6 34）。心肌缺血平均时间为 69（范围 29120），心肺转流时间 163（范围 82504），手术时间 270（范围 145600）分钟。四名接受手术患者无主动脉阻断。 3 例患者中，左室闭合线的出血这是难以控制的发生，并导致过早死亡。其中， 2 例心肌梗死的排斥，和一个隔片手术。另一名患者死于术中的严重心脏衰竭并且家属拒绝将病人放在辅助灌注。残余分流，不能在这四例患者的评估。手术的类型， VSR 的位置，住院死亡，和残余漏的存在，总结在表 2。 四例患者出现明显的残余漏。其中，对于先前 VSR 做手术的 2 位患者有梗死排斥。使用血氧饱和度肺动脉全身流动比率（ Qp/Qs）分别 1.18 和 1.35。根据超声心动图，在这些患者中心包膜片不紧密配合左心室心内膜表面。残余分流经心包片和心内膜之间的自由空间，进入室间隔缺损。不需要再手术是因为他们的临床情况稳定，但后来两个病人需要手术。在先前的 VSR 接受心包膜片手术的一位 78 岁妇女有 Qp/Qs 比为 1.8 的残余漏。由于严重的主动脉钙化手术是在病人心跳时进行的。根据超声心动图，在膜片下面有自由空间，大概是因为在无效的心脏跳动下和一个太小的充满血液的心脏使膜片被削减。病人在医院死于脑梗塞的结果，即使再次手术后残余分流消失。一个 56 岁的人有非常大的晚 期的 VSR（ 25 厘米大小， Qp/Qs = 4）。他使用牛心包膜接受了隔片手术。术后超声心动图显示心包补片在右心室间隔缺损的突起，以及部分重要残余漏修补裂开。在膜片和间隔的平面之间没有明显的自由空间。再次手术时，被破坏的缝合线与用各种支撑缝合线加固。残余分流消失，病人出院。然而，术后 5 个月，患者死于充血性心脏衰竭。在最近的连续 18 例患者中把四氟乙烯膜片加入间隔心包膜片， 17 位患者手术中存货下来并出院且无显著残余漏。在这些案件中在膜片和左心室内表面没有明显自由空间。在 5 和 10 年的所有nts 7 患者存活率（包括医院死亡） 为 68.79.3 和 61.910.6%（平均 SE）为各种原因导致的死亡。存活率并没有显着差异取决于断裂部位（前或后），或存在或用过 log-rank检验缺乏的额外的 CABG。晚期复发的分流并没有在任何患者身上观察到。 表 2 手术结果根据 VSR 的位置和手术种类 4.探讨 在 VSR1， 2紧急手术后显著残余分流是预后不良强有力的预测。村下等人 1报道，在 VSR手术后 83%具有残余分流的患者导致祝愿死亡率。为了防止膜片裂开，两种不同的方法可以考虑。一种是加强缝合线，而另一个是设计一种手术设计，以减少缝合线的应力。在临床上，在缝合线加固有移动局限性，即使使用支撑间断缝合 1,5，因为患有 VSR 的非心肌梗死患者有时是脆弱的。因此，在本研究中，我们侧重于外科手术设计，以减少缝合线的应力。 在有限元分析的计算机模型，当一个大的补丁被缝合到线以及除了室间隔破裂的边缘，比较室间隔排除补丁的基本条件下膜片缝合线应力下降大约 35%，在另一方面，当一个小补丁缝合到缺损的边缘附近，缝合线的压力增加了 25。缝合线应力可能下降，当一个大的补丁被使用时分布在较长的缝合线。这些结果意味着，梗塞排除方法 4，其中一个大的心包膜片缝合到健康的心脏很好，除了 VSR 是优越的。但是，有时难以定制一件普通的异种心包膜片成三维形状以及装配到凹左心室内表面包括心尖。如果膜片不合身的心内膜表面，并在膜片和心内膜之间存在自由空间，左心室内压直接施加到膜片的缝合线。平均缝合线应力在心内膜表面膜片被掀起时比在电 脑模型中膜片安装在我们设置条件下高了六倍。虽然增加了贴片的尺寸在理论上是有利的，膜片到左心室的三维内表面上对齐可能会变的更加困难。如果膜片和心内膜之间留有自由空间，效果丧失或可能比非常适合心内膜的小膜片更差。 Shibata 等 9报道使用加入到创建一个杯形两个分离的膜片修改后的梗塞排除技巧。 Kobayashi 等人 10报道使普通 xenopericardial 膜片成三维形状的技术。这些是消除死腔下膜片的逻辑方法。一些外科医生 7,11 的除了一个心包膜片缝合远离缺陷用二次膜片围绕间隔缺损。在我们的理 论模型，这种类型的次级补丁防止心包补片的过度变形，并减少缝合线应力三分之二：在基本条件增加膜片的尺寸变大是一个几乎相同的效果。第二个支撑补丁可能会减少缝合线的压力就像一个普遍观察到的现象如下。当孔被网过滤器覆盖时漏的厨房水槽可能因为小小纸片堵塞。没有过滤器，可以容易的被变形和疏散到排水沟。同样，VSR 的位置 手术类型 住院死亡 泄漏 前面的 排除梗塞 2/5 2/3 室间隔心包膜片 3/9 1/8 支撑间隔膜片 0/11 0/11 后面的 排除梗塞 0 0 室间隔心包补片 0/2 1/2 支撑间隔膜片 1/7 0/6 nts 8 另外聚四氟乙烯可以防止室间隔缺损周围心包膜片的过度变形减少缝合线的压力。当缺陷覆盖有独立的二级膜片 7,11这种机制也应该工作。胶合间隔缺损周围心包膜片 8可显示出类似的效果，与一生物胶的刚化效果的二次膜片。我们 的计算机模型分析的结果支持先前的研究人员的说法。 由于 VSR 的增大，相比基本条件缝合线应力增加 2.5 倍。因此，一个大的房间隔缺损可修补裂开的危险因素。同样，切除室间隔缺损周围的梗死心肌组织可能在缝合线压力下产生负面影响。在缺陷是非常大，或 infarctectomy 在程序中是必要时 12，加固用双层贴片或胶合的补丁可能是有效的。 理论结果与临床结果吻合良好。四例患者表现出显著的术后残余分流。其中，补丁和心内膜之间的自由空间的存在被发现在 3 个患者身上。在这些患者中，补丁似乎修剪太小。其他有残余漏的患者有一个大 的后室间隔缺损（ 25 厘米）。虽然心包补片被固定到左心室内表面，当暴露于左心室压力，贴片和缝合线可能会收到一个非常大的力量。 目前，我们的标准程序是反梗死切除手术，没有心肌梗塞的切除，放置一块 xenopericardial几乎完全覆盖间隔表面 5，和另外缺陷周围的二次支撑聚四氟乙烯补丁增加 6 刚度。相反在传统的梗塞排除技术左心室心尖一半已完成，覆盖有心包膜片没有在膜片下方留下死空间的间隔平面不在困难。在最近的 18 个这种类型的手术， 17（ 94%）个患者出院走出医院，没有发现主要的残余漏。值得注意的是 Skillington 等人 13已经获得在 1987 年到 1988 年之间使用广泛覆盖的间隔壁的大量心包膜片接受手术的 36 例患者的死亡率为 11.1%。 4.1 研究的局限性 至于 EFA 模型，模拟脑室的形状是一个非常简单和壁的性质被认为是均匀的。这不同于一个真正的左心室梗塞，其具有复杂的形状，并且具有两个易碎和健康部。当然，在实际手术中补丁不缝合在一个完全的圆形线。因此，缝合线压力的定值并没有太大的意义，但不同条件之间的做比值。 根据自己的临床经验，许多医生似乎意识到扩大斑块大小的重要性，预防补丁下方的死空间，和另 外的二次硬化斑块或生物胶。然而，数值数据缝合线应力没有显示。我们的模型是非常简单的，但是对于这些以前的报告增加了理论背景。 在计算机模型，我们没有评估左心室闭合线应力和出血到外面的可能性。从左侧脑室出血在临床设置另一个严重的问题，需要进一步的研究。 最后，我们尊重其他的外科医生来克服这种难治性疾病的各种努力，不坚持，我们目前的手术方法是优于其他任何。然而，我们真诚地希望我们的理论分析对外科医生寻求改进 VSR 手术有用。 5.结论 在梗死后 VSR 心内膜片类型手术，消除膜片下方是死空间关键在预防残余漏。加强间隔缺损周围的膜片用二次膜片或者生物胶也是有效的。 ntsORIGINAL ARTICLEFinite element analysis regarding patch size, stiffness, and contactcondition to the endocardium in surgery for post infarctionventricular septal ruptureToshiaki ItoHiroaki HagiwaraAtsuo MaekawaTakenori YamazakiReceived: 17 February 2013 / Accepted: 15 April 2013 / Published online: 23 April 2013C211 The Japanese Association for Thoracic Surgery 2013AbstractBackground The purpose of this study is to establish arational surgical design to minimize suture line stress of thepatch and thus prevent residual leakage in surgery for postinfarction ventricular septal rupture (VSR).Methods A computer model that simulates surgery forVSR was developed. Stress force on the suture line of thepatch was calculated at varying size, stiffness, and contactcondition of the endocardial patch to the inner surface ofthe heart using a finite element analysis. Clinical resultsand echo findings of 34 consecutive patients with a meanage of 72.6 9.5 (range 5589) who underwent emer-gency surgery for VSR from 1995 to 2012 were reviewed.Results Suture line stress decreased by two-thirds as thesize or stiffness of the patch increased in comparison withthe basic conditions that mimic a pericardial patch fitted tothe septal plane. On the other hand, suture line stressincreased sixfold when there was a dead space beneath thepatch. 30-day mortality was 12 %, and in-hospital mor-tality 18 %. On echocardiography, all three patients whohad dead space beneath the patch had residual leak.Another patient who had huge posterior defect also showedresidual leak. Clinical results were well matched to modelresults. 5-year survival rate of all patients who receivedoperation was 68.7 9.3 %.Conclusion In endocardial patch type surgery for VSR,proper sizing of the patch to sufficiently fit to endocardialsurface in a tension-free condition is the most important toavoid residual leak.Keywords Myocardial infarction C1 Ventricular septalrupture C1 Computer applicationsIntroductionPostoperative residual leak after patch closure for post-infarction ventricular septal rupture (VSR) is a strongfactor of poor outcome 1, 2. Dehiscence of the patch iscaused by fragility of myocardium acutely after myocardialinfarction. Therefore, some investigators have proposeddelaying operation until the tissues surrounding the septaldefect have become durable owing to scar formation 3.However, critically ill patients cannot always wait until thechronic stage due to ongoing multiple organ failure.Maltais et al. 2 recently reported that time delay betweenVSR diagnosis and surgery was a significant predictor ofpoor outcome.To avoid detachment of the patch in emergency surgeryfor VSR, several operative techniques have been proposed.David et al. 4 focused on enlargement of the patch thatexcludes all infarcted areas. Others concentrated on rein-forcement of the suture line using transmural interruptedsutures 1, 5, 6. Regarding patch material, xenopericardium,Teflon felt, a combination of both 7, and further rein-forcement using biological glues 7, 8 have been reported.The purpose of this study is to estimate the change insuture line stress, which may lead to patch dehiscence inT. Ito (&) C1 A. MaekawaDepartment of Cardiovascular Surgery,Japanese Red Cross Nagoya First Hospital, 3-35 Michishita-cho,Nakamura, Nagoya 453-8511, Japane-mail: cvs1nagoya-1st.jrc.or.jpH. HagiwaraDepartment of Cardiovascular Surgery, Kasugai MunicipalHospital, 1-1-1, Takaki-cho, Kasugai 486-8510, JapanT. YamazakiDepartment of Cardiovascular Surgery, Kainan Hospital,396 Minamihonda, Maekasu-cho, Yatomi 498-8502, Japan123Gen Thorac Cardiovasc Surg (2013) 61:632639DOI 10.1007/s11748-013-0255-zntsVSR surgery, according to various changes in patchproperties using a computer model, and analyzing theclinical results based on the theoretical model.Patients and methodsThis study was approved by Institutional Ethics Commit-tee, and written informed consent for surgery was obtainedfrom each patient. Consent for data collection and utiliza-tion was obtained in written form or by telephone fromeach patient or a member of his or her family.Theoretical model analysisTo simulate a left ventricle with septal perforation, a sim-plified computer model was developed. A sphere with a 6 cminternal diameter and 1 cm wall thickness was assumed forthe left ventricle. Septal defect was represented as a rounddefect, 1.4 cm in diameter, on the wall of the sphere. Thismodel was divided into tetrahedron meshes for finite elementanalysis (FEA). Solid Works Simulation (Solid Works,Tokyo, Japan) was used for FEA. As a material used for FEAcalculation, a sphere made of soft rubber is assumed (Youngsratio = 2 9 106/m2, Poissons ratio = 0.49).As basic conditions, a concave-shaped rubber (Youngsratio = 2 9 106/m2, Poissons ratio = 0.49), 0.25 mmthickness was attached inside the sphere at a circular lineaway from the center of the defect by a 40C176 central angle(Fig. 1). The membrane is fitted to the inner surface of thesphere before inner pressure was applied. This modelrepresents a xenopericardial endocardial patch that widelycovers the septal plain. The membrane and sphere wereconnected only at the edge of the membrane. Frictionbetween the membrane and the internal surface of thesphere was assumed to be zero because the contact con-dition in a beating heart is not static as in a model condi-tion, and friction seemed to be negligible. The width of theattachment line was defined as 0.5 mm. Suture line stressand deformity of the patch were calculated for each con-dition under 120 mmHg of internal pressure. Since sutureline disruption usually occurs on the endocardial surface,not on the patch in clinical settings, stress force on thesuture line was calculated on the inner surface of thesphere. Because wall stress usually has a direction and avalue, von Misses method was used to express average wallstress as an absolute value.Effect of patch size on suture line stressOnly the size of the membrane representing the pericardialpatch was changed from the above-mentioned basic con-ditions. For a model of a small patch that only coversaround the defect, the central angle between the center ofthe defect and the circular suture line was reduced to 30C176.Then, for a model of a large patch that covers wider area ofendocardium as infarct exclusion technique, the centralangle of the circular suture line was increased to 60C176.Effect of stiffness of the patchTo mimic secondary reinforcement of the pericardial patchwith Teflon felt to increase the stiffness of the patch, a sec-ondary patch made of solid rubber (Youngs ratio = 2 9107/m2, Poissons ratio = 0.49), 1 mm in thickness wasattached underneath the soft rubber patch under the basicconditions. A secondary patch was firmly attached to theprimary patch, but not to the ventricular sphere.Effect of contact condition between the patchand the internal surface of the left ventricleWhen the pericardial patch is tailored too small, and doesnot fit well to the concave endocardial surface of the leftventricle, stress on the suture line may increase. To mimicthis situation, a model in which a plain rubber membraneinstead of concavely shaped one was attached to a circularline 40C176 apart from the center of the VSR.Effect of defect size on suture line stressTo mimic a very large septal defect or surgically enlargeddefect by infarctectomy, a defect diameter of 2.5 cm wasFig. 1 Tetrahedron mesh image of the left ventricular model and theendocardial patch at static basic conditions. A shaped patch along theinner surface of the sphere is attached at a circular line with a 40C176central angle. The center of the patch is aligned to the center of thedefect. Diameter of the sphere is 6 cm, wall thickness is 1 cm, anddiameter of the defect is 14 mmGen Thorac Cardiovasc Surg (2013) 61:632639 633123ntsset. Other conditions were the same as the basic conditions.Suture line stress was also calculated when a secondaryreinforcement patch (Youngs ratio = 8 9 107/m2, Pois-sons ratio = 0.49), 1 mm in thickness, was added to thissituation.Clinical evaluationBetween 1995 and 2012, 34 patients received an emer-gency operation for post infarction VSR at our facilities.Clinical profiles of the patients are listed in Table 1. Allpatients were referred and were operated on an emergencybasis on the day of admission or as soon as diagnosis wasconfirmed. Five different surgeons performed the opera-tions. We did not postpone operation waiting for fibrosis ofinfarcted tissue until chronic stage, and operated on allpatients referred to our facilities without any arbitraryselection criteria, even if the patient was in salvage status.Two patients had been accompanying left ventricular free-wall rupture. Three patients were already in chronic state(14 days after VSR) when referred from cardiologistsduring this study period and were excluded, becausechronic VSR differs greatly from the acute state, andusually is not difficult to handle.Data were collected retrospectively. Hospital morbidityand mortality were obtained from the hospital records.Current status and late complications of hospital survivorswere ascertained by telephone or inquiry form contact withthe patient or a member of his/her family. Survivalinformation was obtained between March and June 2012.Follow-up rate was 97 % with a mean period of 44 months.Findings of postoperative echocardiography were evalu-ated with special interest given to patch size, use of asecondary patch, contact conditions of the patch to theendocardium, and residual leakage. If significant residualleakage was suspected on echocardiography, shunt ratiowas calculated by oximetry.Surgical techniqueWe used three different types of surgical techniques duringthis period: infarct exclusion technique with bovine orequine pericardium (Edwards Lifesciences, Irvine, CA),septal patch with xeno-pericardium, and xeno-pericardialseptal patch plus a secondary reinforcement patch of Teflonfelt. Details of our septal patch technique (entire septalpatch technique) and its refinement have already beenreported 5, 6. In recent patients, after suturing a largepericardial patch that almost entirely covers the ventricularseptum, a Teflon felt patch tailored smaller than the peri-cardial patch was inserted beneath and fixed to the peri-cardial patch with fibrin glue and several interruptedsutures. This secondary felt patch was intended to preventdeformity and protrusion of the soft pericardial patch intothe septal defect that may lead to undue stress on the sutureline. This secondary patch is fixed to the primary patch, butnot to the ventricular septum.Statistical analysisAll statistical data analyses were performed using SPSSstatistics 17.0 (Japan IBM, Tokyo, Japan). Actuarial sur-vival rate was calculated using the KaplanMeier methodand comparison between groups was evaluated using log-rank test.ResultsTheoretical model analysisDeformity of each element in the basic conditions wascalculated, and shown in Fig. 2a. A thin rubber patch alongthe inner surface of the sphere protruded at the defect by4.6 mm when 120 mmHg of inner pressure was applied.The color bar shows the degree of deformity. Each elementof the sphere received stress force as shown in Fig. 2b. Thecolor bar shows stress force calculated using the vonMisses method. Only the sphere was depicted in Fig. 2b,and the membrane was not, because suture line stress wascalculated on the sphere side. Elements along the sutureline of the patch received high stress force as expressed byTable 1 Preoperative clinical profile of patients (n = 34)VariablesAge (years) 72.6 0.5 (5589)Male/female 11/23Diabetes mellitus 8Hypertension 14Previous MI 4Thrombolysis/direct PCI 1/131/2/3-Vessel disease 30/4/0Anterior/posterior VSR 25/9AMI to VSR (days) 2.9 2.5 (0.310)VSR to surgery (days) 1.6 2.2 (0.213)Preoperative IABP 32Cardiogenic shock 22Endotracheal intubation 8Inotropic support 32MOF 6Qp/Qs3.4 1.0 (1.56.1)AMI acute myocardial infarction, IABP intra aortic balloon pumping,MI myocardial infarction, MOF multiple organ failure, PCI percuta-neous coronary intervention, Qp/Qspulmonary to systemic flow ratio,VSR ventricular septal rupture634 Gen Thorac Cardiovasc Surg (2013) 61:632639123ntsthe color red. Average suture line stress in the basic settingwas calculated as 1.60 9 105N/m2.Effect of the size of the patch on suture line stressSuture-line stress for a small size patch was 1.99 9 105,and 1.05 9 105N/m2for a large size patch. Suture-linestress decreased as the size of the patch increased (Fig. 3).Effect of stiffness of the patchWhen a secondary buttressing patch was attached to thethin primary patch under the basic conditions, suture linestress decreased to 1.15 9 105N/m2. Deformity of thepatch was down-regulated to 1.4 mm when a secondarypatch was added compared to that without buttressing(Fig. 4).Effect of contact condition between the patchand the internal surface of the left ventricleWhen the patch was flat and did not contact the innersurface of the sphere, calculated average suture line stresswas 1.05 9 106N/m2, almost six times higher than thatunder basic conditions (Fig. 5).Effect of an enlarged defectWhen defect size was enlarged from 1.4 to 2.5 cm indiameter, suture line stress increased to 4.0 9 105N/m2.By adding a secondary reinforcement patch under the pri-mary patch in these conditions, suture line stress decreasedto 2.5 9 105N/m2, and deformity of the patch apparentlydecreased.Clinical resultsThirty-day and in-hospital mortality of all patients whoreceived an operation was 11.8 (4/34) and 17.6 % (6/34),respectively. Average cardiac ischemic time was 69 (range29120), cardio-pulmonary bypass time 163 (range82504), and operative time 270 (range 145600) min.Four patients were operated on without aortic crossclamping. In three patients, left ventricular closure-linebleeding which was difficult to control occurred and led toearly deaths. Of these, two underwent infarct exclusion,and one septal patch operation. Another patient died intra-operatively of severe heart failure as the family membersdeclined to place the patient on assisted perfusion. Residualshunt could not be evaluated in these four patients. Type ofsurgery, location of VSR, in-hospital deaths, and presenceof residual leak are summarized in Table 2.Significant residual leak occurred in four patients.Among these, two patients were operated on with infarctexclusion for anterior VSR. Pulmonary to systemic flowratio (Qp/Qs) using oximetry was 1.18 and 1.35, respec-tively. According to echocardiography, the pericardialpatch did not fit tightly to the left ventricular endocardialsurface in these patients. Residual shunt flow passedthrough the free space between the pericardial patch andthe endocardium, and into the septal defect. Reoperationwas not required because they were clinically stable, butFig. 2 a Deformity of elements when 120 mmHg of inner pressure isapplied to the basic conditions model. Color bar shows amount ofdeformity. Protrusion of the center of the patch facing the septaldefect is 4.6 mm. The sphere is also slightly deformed. b Stress toeach element when 120 mmHg of inner pressure was applied to thebasic conditions model. Stress force calculated using the von Missesmethod increases as the color changes from blue to red. Elementsalong the circular suture line of the patch receive high stress forceGen Thorac Cardiovasc Surg (2013) 61:632639 635123ntslater two patients needed reoperation. A 78-year-oldwoman who underwent pericardial septal patch operationfor anterior VSR had residual leakage with a Qp/Qsratio1.8. Operation was performed on this patient with the heartbeating due to severe aortic calcification. According toechocardiography, there was a free space beneath thepatch, presumably because the patch was trimmed duringempty heart beating and was too small for a blood-filledheart. The patient died in the hospital as a result of braininfarction even though the residual shunt disappeared afterreoperation. A 56-year-old man had very large (2 9 5cmin size, Qp/Qs= 4) posterior VSR. He underwent septalpatch operation using a bovine pericardium. Postoperativeechocardiography showed protrusion of pericardial patchinto septal defect toward the right ventricle, and significantresidual leak with partial patch dehiscence. There was noapparent free space between the patch and the septal plane.At reoperation, the disrupted suture-line was reinforcedwith several felt buttressed sutures. Residual shunt disap-peared and the patient was discharged. However, 5 monthsafter initial operation, the patient died of congestive heartfailure. In recent consecutive 18 patients in whom sec-ondary Teflon felt patch was added to septal pericardialpatch, 17 patients survived the operation and were dis-ch
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