基于ABAQUS的血管支架疲劳仿真分析

1 基于基于 ABAQUS 的血管支架疲劳仿真分析的血管支架疲劳仿真分析 王晨曦 左辉 苏州迈迪威检测技术有限公司 苏州 215125 摘要摘要 本文采用有限元分析方法对编织血管支架进行疲劳安全分析 首先利用 ABAQUS 软件 中镍钛合金的本构模型 对镍钛合金丝的力学性能进行模拟分析 结合试验数据的验证 得 到能真实反应镍钛合金超弹性的有限元分析模型 建立编织支架和血管的有限元分析模型 通过本公司自行开发的计算程序 计算编织血管支架在预期使用的血管内的疲劳安全系数 计算得到编织支架的最小疲劳安全系数为 5 64 大于 1 的设计要求并且有足够的安全空间 关键词 关键词 血管支架 ABAQUS 有限元分析 疲劳 1 前言前言 血管疾病是影响并危害人类健康的最严重疾病之一 而血管内支架作为一种介入治疗的 医用器械 在治疗血管堵塞和狭窄方面 具有创伤小 术后康复快等优点 得到了广泛应用 镍钛合金材料具有超弹性和形状记忆效应 因此镍钛合金材料制成的自扩式血管支架以良好 的生物相容性和耐腐蚀性得到了广泛应用 当支架被植入到预期使用的血管内时 随着血管在生理压力下的收缩 扩张 支架的径向 受到血管的循环挤压 该循环压力使支架产生交替变化的应力 应变 支架的疲劳是由于长期 承受此交变的应力 应变而产生 美国 欧盟和中国均颁布了相关标准来确保血管支架在体内 10 年的生命周期内保持其寿命的完整性 规定血管支架要进行 3 8 亿次的加速疲劳试验 保 证支架不发生断裂 采用有限元分析软件来模拟支架扩张过程及支架的疲劳强度具有成本低 时间短等优点 已经得到了普遍认可 本文利用 ABAQUS 软件对镍钛合金丝的力学性能模拟分析 通过与 试验的对比验证得到真实反应镍钛丝力学性能的有限元分析模型 进而模拟分析血管支架植 入血管内后的疲劳安全情况 从而为支架的结构设计优化提供参考依据和技术支撑 2 镍钛合金疲劳镍钛合金疲劳原理原理 镍钛合金是一种形状记忆合金 在疲劳寿命方面 它与传统的金属相比 具有以下两点 非常明显的不同 1 1 镍钛合金材料在应变控制下的疲劳和位移控制下的疲劳非常的稳定 但在应力控制 下的疲劳就表现的非常不稳定 因此镍钛合金的疲劳分析是基于结构的应变分析 2 热处理过程对镍钛合金材料的各种力学性能有着非常大的影响 因此需要区分材料 是热处理前还是热处理后 2 3 镍钛合金的材料特性和其他的非线性材料有很大的不同 镍钛合金材料不会随着平 均应变的增大而降低疲劳极限 它的疲劳只和应变幅有关 文献 2 提出以应变幅 a来确定疲 劳安全系数 n 的工程使用方法 n 为疲劳极限 1 为基于有限元模型计算获取的应变幅 文献 2 建议疲劳极限应变 0 4 3 支架和血管参数支架和血管参数 本次分析所采用的支架为编织支架 支架规格以及预期使用环境如表 3 1 所示 表 3 1 支架信息及预期使用环境 支架材料 外径 丝径 使用血管内径 镍钛合金 8 6 0 6mm 0 1524mm 7 5mm 由于人体的血管多样 其具体几何模型和力学模型比较复杂 为了方便分析 做出如下 简化和假设 根据标准 YY T0808 3 ASTM2477 4 由于血管在实际工作状态下属于小应 变结构 将血管假设为不可压缩的线弹性材料 根据文 5 可知 健康血管的顺应性为 C 5 建立的血管尺寸及力学属性如表 3 2 所示 表 3 2 血管尺寸 长度单位 mm 120mmHg 压力下内径 0mmHg 压力下内径 0mmHg 压力下外径 弹性模量 泊松比 7 5mm 7 1mm 8mm 2 3MPa 0 45 4 材料材料 本次分析的支架材料为镍钛合金 本次分析模型所采用的单元类型为线性 Linear 协调 单元 Incompatible 为了验证 ABAQUS 软件中镍钛合金材料本构模型的有效性及材料参数 的合理性 建立镍钛丝的有限元模型 将根据镍钛丝拉伸曲线拟合得到的材料数据代入模型中 最后得到仿真条件下的载荷 位移曲线 与试验数据的对比如图 4 1 所示 最终得到的 ABAQUS 软件环境下的材料参数如下所示 Material name ABQ SUPER ELASTIC Density 2e 08 Depvar 24 User Material constants 16 49098 0 33 21750 0 33 0 0425 6 490 591 37 0 6 330 240 465 0 0425 3 图 4 1 仿真条件下得到的材料参数 5 计算模型计算模型 5 1 支架支架模型模型 本次分析的支架为镍钛合金材料编织支架 由 8 根丝螺旋编织而成 在 ABAQUS 软件 中建立如图 5 1 所示的支架模型 该支架模型内包含支架所有的特征结构 包含一个连接管 用来模拟支架编制丝的焊接 本次分析以该支架模型为研究对象 图 5 1 简化支架模型 5 2 载荷载荷 支架的载荷施加方式分为两种 分别为最大载荷和最小载荷 在血管内壁分别施加 80mmHg 和 160mmHg 的压力载荷 分别计算血管对支架的挤压而产生的应变 4 图 5 2 血管的压力载荷 6 结果结果 基于前文的表述 针对镍钛合金材料而言 其主要为应变疲劳 因此疲劳寿命的评估需要 基于应变幅 a和平均应变 m 在有限元计算结果中 应变幅和平均应变的计算 需要综合考虑 不同载荷下的应力大小和方向 这是个很复杂的力学问题 为了解决这个问题 本公司开发了 一款计算程序 很好的解决了这个问题 6 1 最大应变云图最大应变云图 血管支架被植入到内径为 7 5mm 的血管内时 随 80mmHg 160mmHg 的血液循环压力变 化 支架的应变如图 6 1 和图 6 2 所示 图 6 1 当血液压力为 160mmHg 时 血管支架在血管内受到挤压的应变云图 最大应变为 0 29 支架端部应变为 0 27 5 图 6 2 当血液压力为 80mmHg 时 血管支架在血管内受到挤压的应变云图 最大应变为 0 43 支架端部应变为 0 39 6 2 疲劳安全系数疲劳安全系数 根据式 1 镍钛合金的 0 4 本文支架的单元节点的最大应变幅为 0 071 支架节点的平均应变和应变幅如图 6 3 所示 图 6 4 中红点处为最小疲劳安全系数所在的位置 血管支架在直径为 7 5mm 血管内受到挤压后的安全疲劳系数 n 为 n 0 4 0 071 5 64 图 6 3 支架在血管内受到挤压后支架节点的平均应变和应变幅 6 图 6 4 最小安全系数位置 7 结论结论 本文通过使用本公司自行研发的计算程序 计算血管支架在预期使用环境中的最小疲劳安 全系数为 5 64 大于 1 的设计要求并且有足够的安全空间 8 参考文献参考文献 1 A R Pelton Xiao Yan Gong Fatigue Testing of Diamond Shaped Specimens we are Nitinol 2003 2 Pelton A R Schroeder V Mitchell M R et al Fatigue and durability of Nitinol stents J Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 2008 1 2 153 164 3 YY T 0859 均匀径向载荷下金属血管支架有限元分析方法指南 4 ASTM F2514 Standard Guide for Finite Element Analysis FEA of Metallic Vascular Stents Subjected to Uniform Radial Loading 5 T Duerig et al An ov