基于ANSYS/LS-DYNA的生物瓣膜动态力学性能分析

论文摘要

从工程力学角度讲,心脏是人体血液循环的动力装置,而心脏瓣膜是能够控制血液在心动周期内单向流动的控制原件,一旦心脏瓣膜病变或损坏,将危及患者的生命安全。目前研究现状显示,除了采用药物进行辅助治疗外,对患者进行人工瓣膜置换手术是挽救病人生命的有效手段。人工心脏瓣膜主要有机械瓣膜和生物瓣膜两种,相对于目前在临床应用上占主导地位的机械瓣膜,生物瓣膜具有的血流动力学性能好、不必终生抗凝、血栓栓塞发生率低以及与瓣膜有关的并发症少等优点使其在应用中的比重逐年提高。然而,由于瓣叶机械应力过大、联合部位应力集中等因素导致的瓣叶撕裂及钙化使得其与人体天然心脏瓣膜仍有较大差距。因此,对生物瓣膜进行力学性能的评价,提供可靠的生物瓣膜力学分析在设计和改进生物瓣膜的研究中具有重要的意义和价值。将现代设计理论与技术应用于生物瓣膜力的设计研究中,是设计性能优良、耐久性好的生物瓣膜的有效途径和方法。本文以薄膜壳理论和心瓣流体力学理论为依据,提出四种生物瓣膜数学模型（圆柱面、旋转抛物面、圆球面和椭球面）。利用CAD软件PRO/E构建生物瓣膜三维实体参数化模型,并根据由动脉压和心室压绘制出的作用在瓣膜上的接近实际环境的动态载荷曲线,在ANSYS/LS-DYNA中对瓣膜加载动态冲击载荷以进行有限元分析,来模拟心脏舒张末期血液对瓣膜的冲击效应。实验结果表明,在动态载荷的作用下,生物瓣膜模型的最大应力和应力集中出现在瓣叶与瓣架的缝合区域附近,与临床资料显示的组织钙化和瓣叶撕裂区域相符；四种瓣型的生物瓣膜力学性能分析显示,圆球面和椭球面的生物瓣膜模型动态力学性能优于圆柱面和旋转抛物面瓣型的生物瓣膜模型；对不同厚度的生物瓣膜模型进行动态力学性能分析得出0.5mm厚的生物瓣膜模型动态力学性能优于0.4mm厚的生物瓣膜模型。通过有限元方法对生物瓣膜进行动态力学性能分析,所得到的瓣叶在动态载荷下的应力分布更加接近真实情况,是瓣膜设计工作的有益尝试,这为设计和优化生物瓣膜,提高其耐久性提供重要参考和依据,对生物瓣膜的研制、加工和性能评估工作具有重要的指导作用和现实意义。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 生物瓣膜的研究背景
• 1.2.1 人体心脏瓣膜及心脏瓣膜病
• 1.2.2 人工心脏瓣膜
• 1.2.3 国内外研究现状
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 课题的提出及研究内容
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 生物瓣膜数字化造型理论
• 2.1 心瓣流体动力学
• 2.1.1 心瓣流体动力学概述
• 2.1.2 心瓣流体力学的基本概念
• 2.1.3 生物瓣膜的设计要求
• 2.1.4 人体心瓣形态导引生物瓣膜原型
• 2.2 薄膜壳体理论
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 无矩壳体理论
• 2.2.3 薄膜壳体理论在生物瓣膜的应用
• 2.3 本章小结
• 第3章 生物瓣膜数字化造型
• 3.1 Pro/E在生物瓣膜建模中的应用
• 3.2 生物瓣膜的建模原则及建模过程
• 3.2.1 瓣膜建模的原则
• 3.2.2 瓣膜建模的过程
• 3.3 生物瓣膜参数化设计的尺寸参数
• 3.3.1 圆球面作为参考面的参数模型
• 3.3.2 圆柱面作为参考面的参数模型
• 3.3.3 旋转抛物面作为参考面的参数模型
• 3.3.4 椭球面作为参考面的参数模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 有限元法及相关软件
• 4.1 有限元法概述
• 4.1.1 有限元法的出现及发展
• 4.1.2 有限元法在生物力学中的应用
• 4.1.3 有限元法与生物瓣膜
• 4.2 有限元法分析步骤
• 4.3 有限元软件
• 4.3.1 有限元软件概述
• 4.3.2 生物瓣膜力学分析与有限元软件
• 4.4 使用ANSYS/LS-DYNA程序分析的基本步骤
• 4.5 本章小结
• 第5章 生物心脏瓣膜动态力学性能分析
• 5.1 几何建模
• 5.2 材料属性
• 5.3 单元类型及算法的选择
• 5.4 心动周期的力学过程
• 5.5 不同型面瓣膜的应力随时间变化情况
• 5.5.1 圆柱面的动态力学性能
• 5.5.2 旋转抛物面的动态力学性能
• 5.5.3 圆球面的动态力学性能
• 5.5.4 椭球面的动态力学性能
• 5.5.5 四种型面生物瓣膜动态力学性能比较
• 5.6 瓣膜模型不同区域的应力分析
• 5.7 瓣膜厚度对瓣膜动态力学性能的影响
• 5.8 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与项目
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表