[发明专利]一种基于ANSYS/Workbench人工心脏瓣膜力学性能优化的分析方法

摘要

本发明公开了一种基于ANSYS/Workbench人工心脏瓣膜力学性能优化的分析方法，本方法以心瓣流体动力学为依据，阐明了流体域(血液)与固体域(人工心脏瓣膜)相互耦合的理论，通过构建生物瓣膜的流固耦合有限元模型，进行了生物瓣膜的流固耦合分析。以人体天然心瓣构型为原型，结合目前研究领域的瓣叶参考型面，选用圆球面、圆柱面、旋转抛物面和椭球面四种旋转曲面为生物瓣膜原型参考面，本发明提供了分析不同生物瓣膜瓣型力学性能优劣的分析方法。

主权项

一种基于ANSYS/Workbench人工心脏瓣膜力学性能优化的分析方法，其特征是：包括以下步骤：(1)基于流体域与固体域相互耦合，构建流体控制方程、固体控制方程，确定流固耦合界面，计算作用在瓣膜瓣叶上的力；(2)基于ANSYS/Workbench，对血液与三片瓣叶之间的相互作用进行流固耦合动态力学性能分析；(3)以圆球面、圆柱面、旋转抛物面和椭球面四种旋转曲面为生物瓣膜原型参考面，分析不同生物瓣膜构型的力学性能，并进行对比；所述步骤(1)中，因固体域与流体域在空间中不存在重叠部分，因此只能在瓣叶与血液的交界面上发生流固耦合作用，因为瓣膜本身没有主动收缩的能力，瓣叶的开闭完全取决于血液及瓣环伸缩对瓣叶的牵拉力，流体域与固体域相互耦合的理论阐明了在耦合面上流体节点的力作用于固体节点上，从而推动固体的运动；所述步骤(1)中，构建流体控制方程的方法为：血液为不可压缩的液体，故血液的流体域采用不可压缩的Navier–Stokes流体控制方程来描述：上式中为血液中任一点的速度向量；ρ为血液密度；μ为血液的黏度；p为血液的压力；F为作用于血液的体积力，人体提供给血液；t为时间；为当前组态的梯度算子；为了简化计算，对上式进行无量纲化：上式中Re为雷诺数，Re＝ρ_fUL/η，U为流体的流速；ρ_f为流体密度；η为黏性系数，L为特征长度，f为人体作用于血液的体积力；所述步骤(1)中，构建固体控制方程的具体方法为：固体控制方程描述的是在流体力的作用下固体的变形，针对血液与瓣膜的问题，定义固体即瓣膜为非线性弹性材料，瓣膜的受力方程：上式中ρ_s为固体的密度；ρ_f为血液密度；为固体的加速度；σ_s为结构的应力张量；为作用于固体的体积力；所述步骤(1)中，确定流固耦合界面的方法为：流体与固体的相互作用部分为耦合面Γ_sf，耦合面具有速度连续性和表面力连续性，因此，耦合面的位置：上式中为水平集域，为瓣叶的位移,耦合面的速度及加速度：上式中为耦合面上血液的速度；为耦合面上瓣叶的位移，上式中为耦合面上血液的加速度，为瓣叶的加速度；上式中，σ为应力张量；为耦合面的局部法向量，下标s和f分别表示固体和流体。