论文部分内容阅读
心脏是人体的重要器官,心脏瓣膜一旦出现病变就会危及人的生命。目前,更换瓣膜仍是心脏瓣膜病的主要治疗方法。生物瓣膜因具有良好的力学性能而逐渐成为瓣膜置换手术的首选,但仍存在着耐久性方面的问题,主要表现在瓣膜材料的疲劳、破坏以及钙化现象。利用计算流体力学的方法对生物瓣膜与血液的耦合过程进行分析,获得瓣叶的变形特点及应力分布情况,对研究瓣膜损坏及钙化的原因有重要的理论意义和参考价值。本文根据原生心脏瓣膜的特点,建立了生物瓣膜瓣叶的弹性结构模型和血液不可压缩粘性的流体模型。利用有限体积法和任意拉格朗日欧拉法分别推导血液与瓣叶的流固耦合方程。利用单向流固耦合分析软件FLUENT及双向流固耦合分析软件LS-DYNA对瓣叶与血液的耦合过程进行仿真模拟,加入了血管壁对血液与瓣叶流固耦合的影响,得到了瓣叶变形、表面应力及开口面积变化情况,分别比较泊松比和弹性模量对两种流固耦合分析结果的影响。采用与仿真模型相近的生物瓣膜进行脉动流测试,通过将测试结果中瓣叶的变形及开口面积变化情况与仿真结果比较,评价两种耦合分析方法得到结果的准确性。对比两种耦合分析以及脉动流测试的结果,可以得出:LS-DYNA双向流固耦合分析的结果与脉动流测试的结果更接近,瓣叶在开启过程中开口面积形状近似由三角形逐渐变为圆形,且开启速度在前期较快后逐渐变慢,瓣叶在45ms时完全开启。FLUENT单向流固耦合分析结果在瓣叶变形较小时,与脉动流测试结果近似,当瓣叶变形较大时,发生了一定程度的失真。所以在分析瓣叶与血液耦合这种大变形问题上,采用LS-DYNA双向流固耦合分析更合适。根据LS-DYNA双向流固耦合分析的结果,瓣叶等效应力及剪切应力均主要集中在瓣叶缝合边与自由边的交界处,而最大主应力主要集中在瓣叶的缝合边。泊松比对瓣叶变形和有效开口面积的影响较小,但瓣叶的表面应力会随着泊松比的增大而减小,泊松比为0.45时,瓣叶的力学性能最好。弹性模量的增加会使瓣叶变形及有效开口面积减小,等效应力及最大剪切应力也随着弹性模量的增大而减小,最大主应力随着弹性模量的增大而增大,弹性模量为4Mpa时,瓣叶的力学性能最好。综合考虑应对瓣叶进行处理,以获得较大的泊松比以及较小的弹性模量。本文通过使用FLUENT及LS-DYNA对生物瓣膜与血液的耦合过程进行单向和双向流固耦合分析,并对生物瓣膜进行脉动流测试,得到瓣叶变形及表面应力分布情况。通过对比,得出任意拉格朗日欧拉法双向流固耦合分析结果与测试结果更接近,其结果中也更加真实,对评估生物瓣膜的力学性能有重要参考价值,也为生物瓣膜的设计优化提供了依据。