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基于ABAQUS的血管支架疲劳仿真分析

王晨曦左辉

（苏州迈迪威检测技术有限公司，苏州，215125）

摘要

本文采用有限元分析方法对编织血管支架进行疲劳安全分析，首先利用ABAQUS软件

中镍钛合金的本构模型，对镍钛合金丝的力学性能进行模拟分析，结合试验数据的验证，得

到能真实反应镍钛合金超弹性的有限元分析模型。建立编织支架和血管的有限元分析模型，

通过本公司自行开发的计算程序，计算编织血管支架在预期使用的血管内的疲劳安全系数。

计算得到编织支架的最小疲劳安全系数为5.64，大于1的设计要求并且有足够的安全空间。

关键词：血管支架；ABAQUS；有限元分析；疲劳

1前言

血管疾病是影响并危害人类健康的最严重疾病之一，而血管内支架作为一种介入治疗的

医用器械，在治疗血管堵塞和狭窄方面，具有创伤小、术后康复快等优点，得到了广泛应用。

镍钛合金材料具有超弹性和形状记忆效应，因此镍钛合金材料制成的自扩式血管支架以良好

的生物相容性和耐腐蚀性得到了广泛应用。

当支架被植入到预期使用的血管内时，随着血管在生理压力下的收缩/扩张，支架的径向

受到血管的循环挤压，该循环压力使支架产生交替变化的应力/应变。支架的疲劳是由于长期

承受此交变的应力/应变而产生。美国、欧盟和中国均颁布了相关标准来确保血管支架在体内

10年的生命周期内保持其寿命的完整性，规定血管支架要进行3.8亿次的加速疲劳试验，保

证支架不发生断裂。

采用有限元分析软件来模拟支架扩张过程及支架的疲劳强度具有成本低、时间短等优点，

已经得到了普遍认可。本文利用ABAQUS软件对镍钛合金丝的力学性能模拟分析，通过与

试验的对比验证得到真实反应镍钛丝力学性能的有限元分析模型，进而模拟分析血管支架植

入血管内后的疲劳安全情况，从而为支架的结构设计优化提供参考依据和技术支撑。

2镍钛合金疲劳原理

镍钛合金是一种形状记忆合金，在疲劳寿命方面，它与传统的金属相比，具有以下两点

非常明显的不同[1]：

（1）镍钛合金材料在应变控制下的疲劳和位移控制下的疲劳非常的稳定，但在应力控制

下的疲劳就表现的非常不稳定。因此镍钛合金的疲劳分析是基于结构的应变分析。

（2）热处理过程对镍钛合金材料的各种力学性能有着非常大的影响，因此需要区分材料

是热处理前还是热处理后。

1

（3）镍钛合金的材料特性和其他的非线性材料有很大的不同，镍钛合金材料不会随着平

均应变的增大而降低疲劳极限，它的疲劳只和应变幅有关。文献[2]提出以应变幅εa来确定疲

劳安全系数[n]的工程使用方法：

[n]=??????（???为疲劳极限）（1）

??为基于有限元模型计算获取的应变幅，文献[2]建议疲劳极限应变???=0.4%。

3支架和血管参数

本次分析所采用的支架为编织支架，支架规格以及预期使用环境如表3-1所示。

表3-1支架信息及预期使用环境

支架材料外径丝径使用血管内径

镍钛合金8.6±0.6mm0.1524mm7.5mm

由于人体的血管多样，其具体几何模型和力学模型比较复杂，为了方便分析，做出如下

简化和假设：根据标准YY/T0808[3]（ASTM2477[4]），由于血管在实际工作状态下属于小应

变结构，将血管假设为不可压缩的线弹性材料。根据文[5]可知，健康血管的顺应性为C=5%，

建立的血管尺寸及力学属性如表3-2所示。

表3-2血管尺寸（长度单位mm）

120mmHg压力下内径0mmHg压力下内径0mmHg压力下外径弹性模量泊松比

7.5mm7.1mm8mm2.3MPa0.45

4材料

本次分析的支架材料为镍钛合金，本次分析模型所采用的单元类型为线性（Linear）协调

单元（Incompatible），为了验证ABAQUS软件中镍钛合金材料本构模型的有效性及材料参数

的合理性，建立镍钛丝的有限元模型，将根据镍钛丝拉伸曲线拟合得到的材料数据代入模型中，

最后得到仿真条件下的载荷-位移曲线。与试验数据的对比如图4-1所示。

最终得到的ABAQUS软件环境下的材料参数如下所示：*Material,name=ABQ_SUPER_ELASTIC

*Density

2e-08,*Depvar

24,

*UserMaterial,constants=16

49098,0.33,21750,0.33,0.0425,6,490,591,37.0,6,330,240,465,0.0425.

2

图4-1仿真条件下得到的材料参数

5计算模型

5.1支架模型

本次分析的支架为镍钛合金材料编织支架，由8根丝螺旋编织而成，在ABAQUS软件

中建立如图5-1所示的支架模型，该支架模