生物力学ANSYS解决方案

安世亚太广州分公司安世亚太广州分公司生物力学ANSYS解决方案生物力学生物力学ANSYSANSYS解决方案解决方案目录目录目录•生物力学仿真必要性•生物力学ANSYS解决方案•公司简介与服务人体构成与仿真目录目录目录•生物力学仿真必要性•生物力学ANSYS解决方案•公司简介与服务耦合分析ANSYS生物力学解决方案医疗器械生理仿真CAD模型离散模型力学模型求解结果后处理检验设计目标优化/拓扑优化不满不满足足满足设计要求虚拟仿真CAE过程ANSYS生物力学解决方案几何建模、修改、简化、中面抽取基于特征的全参数化三维建模草图：绘制和修改、尺寸和约束、……实体建模：拉伸、旋转、扫掠、蒙皮、布尔运算、倒角和倒圆、……概念建模：梁壳结构、梁截面定义、模型联接、烙印、……修改模型：重新建立拓扑结构，修补几何模型简化模型：修改CAD模型以适合CAE分析忽略细节特征，提高分析精度和速度中面抽取：优异的中面抽取功能与各种CAD系统无缝连接z双向参数互动接口zMechanicalDesktopzInventorzSolidEdgezPro/ENGINEERzUnigraphicszSolidWorksz标准数据文件读取zParasolidzACISzSTEPzCatiaPro/EUG协同Pro/E文件的插入UG文件的插入高质量的网格模型ANSYS的六面体网格自动划分技术，六面体网格大大提高求解精度和速度z智能网格划分z映射网格划分z自由拖拉z层网格z局部细分z适应网格划分牙齿矫正整体网格有限元模型加载（Loads）多设计方案、多工况管理共享模型装配关系多设计方案多工况自动重复一体化协同ANSYS独特技术丰富的后处理工具z计算报告自动生成z受力情况、运动轨迹、连接应力等结果的云图、表格、动画输出耦合分析医疗器械生理仿真ANSYS生物力学解决方案生物力学解决方案——结构分析•线性静强度分析•非线性分析–几何非线性：大变形、屈曲，稳定性设计–材料非线性：塑性材料、复合材料–状态非线性：接触分析–丰富的单元及单元技术，垫片单元•动力学分析–模态分析–谐响应分析–瞬态分析–谱分析几何非线性•大变形（或称大位移、大转动）•大应变•在压力和位移载荷作用屈曲问题–平面屈曲:会引起平面失稳–柱屈曲:类似于压杆稳定问题FFu材料非线性•弹塑性：•多种屈服准则：Mises、Hill、广义Hill、Drucker-Prager•多种硬化方式：随动、各向同性、混合、双线性、多线性•粘塑性：高温金属•蠕变：数十种蠕变模型，显式&隐式，与弹塑性联合使用•超弹性：各种橡胶类、泡沫类材料、各向异性超弹材料•粘弹性：玻璃类、塑料类材料•混凝土材料，非线性弹性•智能材料•……Ansys提供了丰富的非线性材料模型镍钛形状记忆合金材料形状记忆合金人工心脏瓣膜Shell99：250层线性叠层板Shell91：100层非线性叠层板Shell181：255层非线性叠层板Solid46：250层实体叠层材料Solid191：100层高阶实体叠层材料Beam188&189：非线性复合材料梁破坏层导致应力重新分配最大应力准则：9个应力最大应变准则：9个应变Tsai-Wu准则：9个应力，3个耦合系数•每层材料具有任意的厚度、材料性质、材料方向和失效准则等，定义方便•分析类型无限制(静力、动力、线性、非线性……)•全三维真实形状显示分析结果•逐层查看纤维排布和分析结果复合材料复合材料单元类型单元类型失效失效特点特点结构分析复合材料问题状态非线性：接触分析直升飞机的螺旋桨转动部件的装配分析（共358个零件，769个装配联结关系）•丰富的接触类型•先进全面的算法•自动建立装配体接触关系•友好的接触向导分析环境•非线性自动控制技术接触－联接件分析的最重要部分CONTA178CONTA175CONTA171-CONTA174TypeNode-NodeNode-SurfaceSurface-SurfaceSlidingSmallLargeLargeHighorderNoNoYesPurePenaltyYesYesYesAugmentedLagrangeYesYesYesPureLagrangeYesYesYesMPCYesYesContactstiffnessSemi-automaticSemi/fullyautomaticSemi/fullyautomaticThermalElectricMagneticYesYesYesYesYesYesANSYS提供了一系列有一致特性的接触单元多种算法来满足各种接触类型很好的收敛性，而且穿透很小接近零穿透装配接触和约束传统的罚函数法多物理场功能–ANSYS拥有这么多种接触算法!很少干预就可以很好的计算收敛接触算法和接触单元集成的接触设置界面螺栓预紧与垫片材料垫片•主要作用9提供密封并传递机械力•主要特点9多层金属基弹性体，高度非线性的加载/卸载过程；9需考虑初始间隙、拉伸应力限值、稳定刚度等•材料模型9输入通过实验测试得到的“压力－闭合”曲线和几条卸载过程中的“压力－分离”曲线螺栓预紧力单元模拟各种螺栓连接，直接施加螺栓预紧力载荷，螺栓单元易于直接创建。对于多螺栓连接，可控制螺栓预紧顺序并按需要锁定预紧位移。生物力学解决方案——结构分析•线性静强度分析•非线性分析–几何非线性：大变形、屈曲，稳定性设计–材料非线性：塑性材料、复合材料–状态非线性：接触分析–丰富的单元及单元技术，垫片单元•动力学分析–模态分析–谐响应分析–瞬态分析–谱分析•自然频率和模态(有/无位移约束状态下)•阻尼条件下的复模态(可考虑α、β、材料、单元、频率相关等多种阻尼共同作用)•预应力模态(结构内由于各种因素引起的预应力对结构频率和模态的影响)动力学分析人体骨骼模态计算线性结构对谐波（sin或者cos）载荷的稳态响应，并得出响应随载荷频率f的变化曲线谐响应分析的优点１、确保一个给定的结构能经受住不同频率的各种正弦载荷（例如：以不同速度运行的发动机，或者马达）２、探测共振响应，并在必要时成功地克服共振、疲劳，及其它受迫振动引起的有害效果瞬态动力分析的优点分析承受各种随时间变化载荷的结构，如：地面移动装置以及其它机器部件，输出结构随时间的响应。模态分析耦合分析医疗器械生理仿真ANSYS生物力学解决方案疲劳是指结构在低于静态极限强度的荷载的重复作用下出现断裂破坏的现象。ComprehensivefatiguedatabaseFatiguelifecontourEasycyclingloadinginputANSYS疲劳分析抗疲劳性要求达到10亿次以上Fe-Safe™完善的疲劳算法ƒ应力疲劳/应变疲劳、单轴疲劳/多轴疲劳ƒ采用基于临界平面法的多轴疲劳计算技术，在所有疲劳分析软件中具有最好的计算精度™丰富的材料疲劳特性数据库ƒ内置数百种材料的疲劳特性数据ƒ材料疲劳参数计算的Seeger算法™特殊疲劳分析类型ƒ蠕变疲劳、铸铁疲劳、概率疲劳、温度（热）疲劳、随机振动疲劳、焊接疲劳等™广泛考虑各种影响疲劳寿命的因素ƒ平均应力修正、加工残余应力、机加工表面粗糙度、尺寸与应力集中系数、……™方便地处理各种复杂疲劳载荷谱ƒ对载荷的类型和数量几乎没有限制ƒ试验测试载荷信号、人工定义载荷谱、混合载荷谱、……裂纹并未出现在最大等效应力处疲劳裂纹位置最大等效应力位置FeSafe疲劳分析发动机活塞高温蠕变疲劳分析轮毂疲劳断裂分析耦合分析医疗器械生理仿真ANSYS生物力学解决方案多体动力学分析•这是多体动力学软件的简单应用。•采用仿真分析，直观，形象，精度高。方案设计，哪一种方案最好！•要求：–受力最小–空间合理，不能超出范围–如图，当受力小的时候，支承杆的位置超出了其放置范围（红圈圈的地方），这种方案也不能用。机构分析的一个小例子：多体动力学分析研究内容•研究内容–计算多刚体装配体的动力学响应–可以用于研究装配体的运动学分析–物体通过弹簧或者运动副连接.–输入和输出是力、力矩、位移、速度和加速度.–所有部件都看作刚体(没有应力和应变).–粘性阻尼通过弹簧定义多体动力学分析RigidDynamics•主要特色–快速高效的显式积分算法–无缝集成刚柔混合动力学计算•随意指定刚体、柔体•支持所有结构非线性–自动探测装配体运动关系–完整的运动副类型和弹簧•固定、转动•柱面滑动和转动、平动•滑槽、万向连接、球铰•平面运动、弹簧•自定义、……–集成于WBSimulation•与CAD双向参数互动第一步：双向参数互动方式读入CAD装配模型，自动创建运动副第二步：确认运动副定义的正确性第三步：选择柔性体动力学分析选项第四步：确定零部件性质（刚性/柔性），柔体部分自动创建网格第五步：设置时间步，分析选项等，进行求解计算第六步：刚柔混合瞬态动力分析时间历程响应计算结果后处理刚柔混合动力学计算流程步骤1步骤2步骤3步骤4步骤5步骤6运动副类型RevoluteCylindricalTranslationalSlotSphericalPlanerUniversal刚柔混合动力学分析上臂的刚体运动的模拟耦合分析医疗器械生理仿真ANSYS生物力学解决方案•专业前处理ICEM-CFD–产生背景–功能–典型案例•CFX–功能–产品特性–耦合技术生物力学解决方案-流体分析ICEMCFD-背景•1990:ICEMCFDEngineering公司成立于美国–专注所有网格划分需求的解决方案•2000:ANSYS收购ICEMCFD.–对FEA需求的网格划分能力得到加强•ANSYSICEMCFD作为世界CFD界最负盛名的网格前处理工具，已经成为CAE/CFD网格划分的行业标准•给客户带来的直接益处：–减少前处理器的学习周期–提高使用者的工作效率ICEMCFD-功能•广泛的CAD接口–直接三维模型–第三方格式–面几何数据•几何体自动检查，清楚，修补，简化–评估几何体完整性–修复间隙，封闭表面–自动简化复杂几何•快速生成多样化高质量网格–多种网格单元（四面体，六面体，棱柱层。。。）–最完整的网格生成方案•网格编辑功能强大–质量检查工具–混合网格•可输出至超过100种CAE求解器–几乎所有的主流求解器ICEMCFD-应用案例CFX-功能z各种流动（亚、跨、超）z传热（导热、对流、辐射）z多相流（欧拉多相流、拉格朗日多相流）z燃烧和化学反应z旋转机械专用模块（turbosystem）z流固耦合FSIz磁流体力学CFX特性精确性z独有的有限元和有限体积法优点的结合z先进的湍流模型：SST模型、大涡模型、转捩模型…zCFD界首创的以高精度格式直接收敛的商业软件收敛性z全隐式耦合多重网格求解器z第二代的新求解技术较传统方法在计算速度上提高了1个数量级z免去繁琐调试、节省计算资源易用性z完全的WINDOWS风格，树型目录z模块化，开放的用户环境-通过CEL/CCL语言方便二次开发z强大的图形、动画后处理能力z在WORKBENCH下的集成性耦合特性独有的流固耦合•第一次由一个供应商提供一套完整的流固耦合解决方案•目前的绝对热点问题电、磁、流体耦合•磁流体力学、电流体力学。耦合分析医疗器械生理仿真ANSYS生物力学解决方案几何Workbench集成流固耦合技术Workbench完成流固耦合瞬态分析网格CFD&FSI设置FSI计算监控耦合场结果显示耦合分析医疗器械生理仿真ANSYS生物力学解决方案生物力学解决方案-生理仿真牙齿骨骼呼吸系统五官血管等软组织生理仿真牙齿垂直荷重时Von-Mises应力分布骨骼-头骨RightFrontalLeft人体骨胳整体振动模态分析骨骼-椎骨椎间盘椎间盘实物图髓核环状纤维软骨端面五官激光治疗时的温度分布呼吸系统血管动脉的模拟生物力学解决方案-医疗器械仿真药物制剂诊断外科器械药物注射病人看护医疗器械药物制剂•超净室•发酵桶•流化床•干冻•气体泡沫•混合反应•包装•分离过滤•喷雾干燥•药片涂层•产品装填AschematicoftheozonedecompositionsysteminafluidizedbedBubblesizedistributionin