面臨的挑戰：

在本文中，我們展示了一些有趣的采用 MSC Nastran 和 MARC 的案例分析，從中可以了解如何在醫療行業充分利用有限元分析，并通過仿真讓創新更上一層樓。

在五種感覺中，聽覺是感知周圍環境并進行溝通的關鍵一環。耳的整體功能是將物理振動轉換為神經脈沖。換句話說，是將聲音產生的振動轉換成耳內的電信號，由腦部的中樞聽覺系統進行處理。

在車輛、機床、航天器、建筑物乃至衛生器材的所有設計、實施及維護過程中，結構分析都是其中的關鍵部分。

與其他助聽器相比，骨錨式助聽器（通常稱為 BAHA）可以為患者提供更高水準的用戶滿意度。

借助于有限元法（FEM）之類的計算力學，可以先改進骨錨式助聽器的性能，然后再制作真實的昂貴實物模型。

查爾姆斯理工大學的在讀博士 Lena Kim 建立了一個人體頭部三維有限元模型進行研究，利用 MSC Nastran 的有限元結果與實物測試進行關聯，從而有助于降低骨錨式助聽器的成本。

在該研究中，開發了一個有效的人體頭部三維有限元模型，藉此采用 MSC Nastran 研究并仿真骨傳導聲音的振動模式。

有限元分析模型能讓我們研究影響骨傳導途徑的因素，找出產生聽覺振動水平的正確位置，并針對患者的具體情況進一步優化裝置。

結構分析，尤其是第一步的模態分析，在聲音和振動分析中有著重要作用。通過模態分析，可以找到系統在沒有外力和阻尼情況下的固有頻率和振型（振動形狀）。模態分析的結果表征了結構的基本動態特性，并揭示了結構在動態加載下的響應方式。

有限元分析采用若干種不同類型的單元來貼近幾何形狀或原始模型。通過分析單元的整體行為來獲得所關注結構的行為。圖 4 中的流程圖圖示了從真實模型到結果可視化的過程。這些步驟中的每一步都需要幾套商業軟件，其中包括用于結構分析的 MSC Nastran，Beta CAE 的預處理器和后處理器 ANSA 及 Meta-post。

用市售的結構分析軟件 MSC Nastran 對動態頻率響應進行仿真。在該模型中，通過 Nastran 代碼的形式來分配負載、頻率范圍、分析輸出及阻尼系數。該研究中進行了兩種類型的分析：簡正模分析和頻率響應分析。

對替代顱骨表面的響應進行仿真，其輸出為機械點阻抗的速度。將試驗數據與采用 MSC Nastran 的點質量方法得出的結果做對比，結果顯示與試驗數據非常吻合。

最后，在機械點阻抗處（MPI）用 MSC Nastran 對頭部模擬器模型進行頻率響應分析。結果非常符合非結構質量（NSM）和流體結構（FS）模型中的實物試驗數據，反共振頻率約為 75-90 Hz；振幅水平只有 5% 的差異。 該研究證明，有限元分析結果非常接近實物試驗，因此可以降低骨錨式助聽器裝置的成本。

來自海克斯康的解決方案：

采用碳纖維復合材料的假肢腳：設計、仿真及試驗

假肢代表了先進的生物醫學裝置技術領域，所使用的假肢采用了先進的航空航天級復合材料。采用碳纖維復合材料開發假肢腳為許多截肢患者恢復充滿活力、喜好運動的生活方式鋪平了道路。通過結合先進的材料，了解復合材料的設計和特殊剛性以及航空航天制造技術，最終可以得到具有逼真的彎曲度、“彈性”及強度的假肢。這些栩栩如生的假肢與舊時跛腳海盜的“木腿”或“殘肢”有著天壤之別！這一技術已取得長足的進步，安裝了復合材料制成的腳和腿的賽跑者甚至有資格參加奧運會！

好動的用戶需要“富有彈性”、結實耐用的假肢。制作此類假肢的主要難題包括疲勞耐久性以及強度、剛度和重量之間的平衡。

假肢腳需要能夠適應各種地形、輕便、具有優異的減震性能和出色的能量回饋。復合材料在輕量化過程中有著舉足輕重的作用。來自 Parnell 工程咨詢公司的 T. Kim Parnell 博士采用 MSC Marc 對足跟設計進行有限元分析，嘗試不同的材料屬性并提出了最佳設計。

模型用 MSC Marc/Mentat 進行描述，其中接觸體的定義方式為：足跟、聚氨酯為柔性接觸體和過載，假定龍骨為剛性，并將材料定義為符合 Tsai-Wu 失效準則的復合材料，然后對兩種聚氨酯構型結果進行對比，以便提出最終設計。

使用 Marc 進行了分析，得出的結論是：1/8" 厚的短聚氨酯足跟會導致足跟彎度增大并且更柔韌；而對于 1/16" 厚的長聚氨酯足跟，由于足跟接觸更均勻，因此足跟彎度下降，并且由于較早接觸龍骨，因此有著更強的剛性反應。

將兩種足跟類型的不同結果進行了對比，得出的結論是：由于較早與足跟二次接觸且較早與龍骨接觸，因此建議的 1/16" 長足跟剛度更大。1/16" 長足跟的剛度是逐漸增加的，即使在相同的位移條件下足跟的應力結果也有所改善，因此可以承受更高的負載。

總之，采用 MSC MARC/Mentat 加實物試驗的仿真方式有助于更好地理解分層失效模式。

客戶簡介：

查爾姆斯理工大學和Parnell工程咨詢公司

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