面臨的挑戰：

在本(ben)文中(zhong)(zhong)，我們展示了一些(xie)有趣(qu)的采用(yong) MSC Nastran 和 MARC 的案例(li)分(fen)析(xi)，從(cong)中(zhong)(zhong)可以(yi)了解如何(he)在醫療行(xing)業充分(fen)利用(yong)有限元分(fen)析(xi)，并(bing)通過仿真讓創(chuang)新更上一層樓。

在五種感覺中，聽覺是感知周圍環境并進行溝通的(de)關鍵一環。耳的(de)整體功能是將物理(li)振動(dong)轉(zhuan)換為神經脈沖。換句(ju)話說，是將聲(sheng)音產生的(de)振動(dong)轉(zhuan)換成耳內的(de)電信號，由腦部的(de)中樞聽覺系統(tong)進行處理(li)。

在車(che)輛、機床、航天(tian)器(qi)、建(jian)筑物(wu)乃至衛(wei)生器(qi)材的所(suo)有(you)設計、實施及維護過程中(zhong)，結(jie)構分(fen)析都是(shi)其(qi)中(zhong)的關鍵部分(fen)。

與(yu)其他助聽(ting)器(qi)相比，骨錨(mao)式助聽(ting)器(qi)（通常稱(cheng)為 BAHA）可以為患者提供(gong)更高(gao)水準的用戶滿意度。

借(jie)助(zhu)于有限元法（FEM）之類的(de)計算(suan)力學(xue)，可以(yi)先改進骨錨式助(zhu)聽(ting)器的(de)性能，然后(hou)再制作真實的(de)昂貴實物(wu)模(mo)型。

查爾姆斯(si)理工大學的(de)在讀博士 Lena Kim 建立了一個人體(ti)頭部三維有限(xian)(xian)元(yuan)模型進行(xing)研究，利用 MSC Nastran 的(de)有限(xian)(xian)元(yuan)結(jie)果(guo)與實(shi)物(wu)測試進行(xing)關聯，從而有助于降低骨錨(mao)式助聽器的(de)成本。

在該研(yan)究中，開發了一個有(you)效的人體頭部三(san)維(wei)有(you)限元(yuan)模(mo)型，藉此(ci)采用 MSC Nastran 研(yan)究并仿真骨傳(chuan)導聲音的振動(dong)模(mo)式。

有限元分析模型能(neng)讓我們研究(jiu)影響骨(gu)傳導(dao)途徑的因素，找(zhao)出產生聽(ting)覺(jue)振動(dong)水平的正(zheng)確位(wei)置(zhi)，并針對患者的具體(ti)情況進一步優化(hua)裝置(zhi)。

結(jie)(jie)構(gou)分(fen)析，尤其是第一步的(de)模(mo)態(tai)分(fen)析，在聲音和振(zhen)動(dong)分(fen)析中(zhong)有(you)著(zhu)重要作用。通(tong)過模(mo)態(tai)分(fen)析，可(ke)以找到系統在沒(mei)有(you)外力和阻尼情(qing)況下的(de)固有(you)頻(pin)率和振(zhen)型（振(zhen)動(dong)形狀）。模(mo)態(tai)分(fen)析的(de)結(jie)(jie)果表征了結(jie)(jie)構(gou)的(de)基本動(dong)態(tai)特性，并揭(jie)示了結(jie)(jie)構(gou)在動(dong)態(tai)加載下的(de)響應方式。

有(you)限元(yuan)(yuan)分(fen)析采(cai)用若干種不同(tong)類型(xing)的(de)單元(yuan)(yuan)來貼近(jin)幾(ji)何(he)形狀(zhuang)或原始模型(xing)。通過分(fen)析單元(yuan)(yuan)的(de)整體行為(wei)來獲得所(suo)關(guan)注結構(gou)(gou)的(de)行為(wei)。圖(tu) 4 中(zhong)(zhong)的(de)流程(cheng)圖(tu)圖(tu)示了從真實模型(xing)到結果可視化的(de)過程(cheng)。這些步(bu)驟中(zhong)(zhong)的(de)每一步(bu)都(dou)需要幾(ji)套商業軟件，其中(zhong)(zhong)包括用于結構(gou)(gou)分(fen)析的(de) MSC Nastran，Beta CAE 的(de)預處(chu)理器和后處(chu)理器 ANSA 及 Meta-post。

用市售的(de)結構分(fen)析軟件(jian) MSC Nastran 對(dui)動態頻率響應(ying)進行(xing)仿(fang)真。在該模型中，通過 Nastran 代碼的(de)形(xing)式來(lai)分(fen)配負載、頻率范圍、分(fen)析輸出及阻尼系數。該研究中進行(xing)了兩種類型的(de)分(fen)析：簡(jian)正(zheng)模分(fen)析和頻率響應(ying)分(fen)析。

對(dui)替(ti)代顱骨(gu)表面的響應進行仿真，其輸出為(wei)機械點(dian)阻抗(kang)的速度。將試(shi)驗(yan)數(shu)據與(yu)采(cai)用 MSC Nastran 的點(dian)質量方法得出的結(jie)果(guo)做(zuo)對(dui)比，結(jie)果(guo)顯示與(yu)試(shi)驗(yan)數(shu)據非常吻(wen)合。

最后(hou)，在機械點阻抗處（MPI）用(yong) MSC Nastran 對頭部模擬器模型進行頻率響應分析(xi)。結(jie)果非常符合非結(jie)構質量（NSM）和流體結(jie)構（FS）模型中的(de)實(shi)物(wu)試(shi)驗(yan)數據(ju)，反共振頻率約(yue)為 75-90 Hz；振幅(fu)水平只(zhi)有 5% 的(de)差異(yi)。 該研究證明，有限元分析(xi)結(jie)果非常接近實(shi)物(wu)試(shi)驗(yan)，因此可以降低骨錨(mao)式助(zhu)聽器裝置的(de)成本。

來自海克斯康(kang)的解決方案：

采(cai)用碳(tan)纖維(wei)復合材料的假肢腳：設計(ji)、仿(fang)真及試驗

假(jia)(jia)(jia)肢(zhi)(zhi)代表了先(xian)(xian)進(jin)的(de)生(sheng)物醫學裝置技(ji)(ji)術(shu)領域，所使用(yong)的(de)假(jia)(jia)(jia)肢(zhi)(zhi)采(cai)用(yong)了先(xian)(xian)進(jin)的(de)航(hang)空航(hang)天級復合材(cai)料(liao)(liao)。采(cai)用(yong)碳纖維(wei)復合材(cai)料(liao)(liao)開發假(jia)(jia)(jia)肢(zhi)(zhi)腳為許多截肢(zhi)(zhi)患者(zhe)(zhe)恢(hui)復充(chong)滿活力、喜(xi)好運(yun)動(dong)的(de)生(sheng)活方(fang)式鋪平了道路。通(tong)過結合先(xian)(xian)進(jin)的(de)材(cai)料(liao)(liao)，了解復合材(cai)料(liao)(liao)的(de)設計和(he)特殊(shu)剛(gang)性(xing)以及航(hang)空航(hang)天制造技(ji)(ji)術(shu)，最(zui)終可以得(de)到具有逼真的(de)彎曲度、“彈性(xing)”及強度的(de)假(jia)(jia)(jia)肢(zhi)(zhi)。這些栩栩如生(sheng)的(de)假(jia)(jia)(jia)肢(zhi)(zhi)與舊時跛腳海盜的(de)“木腿”或“殘肢(zhi)(zhi)”有著天壤之別！這一技(ji)(ji)術(shu)已取得(de)長(chang)足的(de)進(jin)步，安裝了復合材(cai)料(liao)(liao)制成的(de)腳和(he)腿的(de)賽跑者(zhe)(zhe)甚(shen)至有資格(ge)參加奧(ao)運(yun)會！

好(hao)動的(de)用(yong)戶需(xu)要“富有彈性(xing)”、結實(shi)耐用(yong)的(de)假肢(zhi)。制作(zuo)此類假肢(zhi)的(de)主要難(nan)題包括疲勞耐久性(xing)以及強(qiang)度、剛度和(he)重(zhong)量(liang)之間(jian)的(de)平衡。

假肢腳需要能(neng)夠適應各種地(di)形、輕便、具有優異(yi)的(de)減震性能(neng)和(he)出(chu)色的(de)能(neng)量(liang)回(hui)饋(kui)。復合材料在輕量(liang)化(hua)過程中(zhong)有著(zhu)舉足輕重的(de)作用。來自 Parnell 工程咨詢(xun)公司的(de) T. Kim Parnell 博士采用 MSC Marc 對足跟設計進行有限(xian)元(yuan)分析，嘗試(shi)不同的(de)材料屬性并提出(chu)了最佳設計。

模型用 MSC Marc/Mentat 進行描(miao)述(shu)，其中(zhong)接(jie)觸體的(de)(de)定義方式為：足跟(gen)、聚(ju)氨酯為柔(rou)性(xing)(xing)接(jie)觸體和過(guo)載，假定龍骨為剛性(xing)(xing)，并將材料定義為符合 Tsai-Wu 失效準則(ze)的(de)(de)復合材料，然后對兩種聚(ju)氨酯構型結果進行對比(bi)，以便提出最終(zhong)設計。

使用 Marc 進行了分析，得出的結論是：1/8" 厚(hou)的短聚(ju)氨酯(zhi)足跟會導致足跟彎度(du)增大并(bing)且(qie)更(geng)柔韌(ren)；而對于 1/16" 厚(hou)的長聚(ju)氨酯(zhi)足跟，由于足跟接觸更(geng)均勻，因此足跟彎度(du)下(xia)降，并(bing)且(qie)由于較(jiao)早接觸龍骨(gu)，因此有著更(geng)強(qiang)的剛性反應。

將兩種足跟類(lei)型的(de)(de)不(bu)同結果進行了對比，得(de)出的(de)(de)結論(lun)是(shi)：由于較(jiao)(jiao)早與足跟二次(ci)接觸且(qie)較(jiao)(jiao)早與龍骨(gu)接觸，因(yin)此建議的(de)(de) 1/16" 長足跟剛度(du)更(geng)大。1/16" 長足跟的(de)(de)剛度(du)是(shi)逐(zhu)漸增加的(de)(de)，即使在(zai)相同的(de)(de)位移條件(jian)下足跟的(de)(de)應力結果也(ye)有所改(gai)善(shan)，因(yin)此可(ke)以承受更(geng)高的(de)(de)負(fu)載。

總之，采(cai)用 MSC MARC/Mentat 加(jia)實(shi)物試驗的仿(fang)真方式有(you)助于更好地理(li)解分層(ceng)失效模式。

客(ke)戶簡介(jie)：

查(cha)爾(er)姆斯理工大學和Parnell工程咨詢(xun)公(gong)司

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