Инженерное сопровождение разработки, производства и эксплуатации искусственных клапанов сердца

Материал с сайта: http://www.cae-services.ru/

В мире более 600000 людей живут с имплантированными клапанами сердца. Около 75% имплантируемых в России искусственных клапанов сердца (ИКС) изготавливается на научно-производственном предприятии "МедИнж" (г. Пенза). НПП "МедИнж" производит весь параметрический ряд ИКС.

ИКС состоит из корпуса и двух шарнирно закрепленных в нем створок. Корпус и створки изготовлены из углеситалла. Для упрочнения корпус охватывается титановым кольцом. Кольцо обшито материалом, с помощью которого ИКС закрепляется в организме человека.

Рис. 1. ИКС «МЕДИНЖ-2»

Для совершенствования конструкции ИКС и технологии производства в НПП "МедИнж" используется программа ANSYS. С ее помощью моделируется состояние ИКС на основных стадиях производства, при установке и работе клапана в организме человека.

Рис. 2. Конечно-элементная
модель ИКС

Выполняется моделирование операций напрессовки титанового кольца, сборки клапана, технологических испытаний ИКС механическим нагружением и моделирование потока крови, проходящего через клапан

Анализ результатов испытаний образцов из углеситалла выявил существенную разницу в его сопротивлении разрушению при растяжении и сжатии.

Из числа двухпараметрических критериев, позволяющих описать различие в сопротивлении разрушению материала при растяжении и сжатии, предпочтение было отдано критерию прочности П. П. Баландина. Для оценки прочности створок и корпуса по критерию П. П. Баландина на APDL был написан макрос.

Рис. 3. Распределение напряжений в корпусе при напрессовке титанового кольца

Для моделирования и оценки прочности при каждой технологической операции ИКС были разработаны собственные конечно-элементные модели. Во всех конечно-элементных моделях для створок использованы четырехузловые объемные элементы, для корпуса, кольца и нагружающих устройств - восьмиузловые объемные элементы. Моделирование контакта между корпусом и кольцом осуществлялось с помощью контактных элементов TARGE170 и CONTA173, между деталями ИКС и нагружающими устройствами - с помощью контактных элементов CONTAC49.

Рис. 4. Распределение напряжений в корпусе при сборке

Результаты расчета НДС корпуса при сборке позволили выбрать рациональную схему нагружения.

Результаты расчета НДС и оценка прочности корпуса и створок при технологическом механическом испытании позволили обосновать значение и условия приложения испытательной нагрузки, которая, с одной стороны, исключает повреждение деталей ИКС в результате испытаний, а с другой стороны, достаточна для отсева корпусов и створок с пониженной прочностью.

Рис. 5. Распределение напряжений в корпусе при механическом испытании

При расчете НДС и оценке прочности ИКС при гидравлическом испытании, а также работе ИКС в организме использованы возможности ANSYS/LS-DYNA по связыванию решений, полученных на лагранжевых элементах, с решениями, полученными на эйлеровых элементах. Области, заполненные физиологическим раствором или кровью, в которых требовалось определить распределение скоростей и давлений, описывались эйлеровыми элементами (6-я формулировка объемных элементов в LS-DYNA). Стоки также описывались эйлеровыми элементами (7 я формулировка объемных элементов в LS-DYNA). Связывание решений осуществлялось с помощью дескриптора

*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID.

Совместное решение задач механики деформируемого тела и гидродинамики позволило более точно определить динамические нагрузки на детали ИКС, исследовать характер обтекания потоком жидкости движущихся створок, рассчитать НДС деталей и оценить их прочность. Особое внимание обращалось на недопущение возникновения застойных зон, которые являются одним из источников образования тромбов, и приданию створкам вращения относительно направления движения крови, что является эффективным средством против образования тромбов.

Рис. 6. Распределение напряжений в створке при механическом испытании

Полученные в результате математического моделирования характеристики НДС и известные физиологические нагрузки на ИКС позволили оценить накопленную поврежденность в деталях ИКС всех типоразмеров для различных физиологических условий работы клапана в сердце пациентов. При этом был использован модуль ANSYS Fatigue.

Рис. 7. Распределение скорости (a) и давления жидкости (б) при гидравлическом испытании