有限元分析可以帮助设计一个健壮的机械架构通过医疗设备设计中最难的考试之一。
Giorgio Sardo Flex
上市时间是新的医疗产品成功的关键因素。现在设计师使用建模与仿真通过的一个最严峻的考验:60601 - 1,一个国际标准适用于所有医疗电气设备和系统。通过跳过昂贵的试错法迭代,他们可以迅速为一个健壮的机械架构定义的参数。降低仿真可以预测试验结果也支持失效分析调查。
如果你曾经放弃了你的电话,你直接关心的是如果它仍能工作。医疗设备用户不经历同样的焦虑如果他们放弃他们的设备,因为医疗电气设备必须符合一系列阻力要求,确保设备工作,即使意外下降。
设备从小型葡萄糖米巨大的电脑断层扫描仪必须符合IEC 60601 - 1标准,保证了设备的目的是保持基本的安全和基本性能。
监管世界中这可能是一个复杂的问题,需要专家达成一致精确定义。例如,我们可以说基本的安全保障,如果设备不提供一个不可接受的风险通常使用时或者当一个元素已经失败了;必要的性能可以被认为是函数,如果失去了,会产生不可接受的风险。
从机械的角度来看,一个设备必须有力量,以避免任何损失的基本安全或基本性能由野蛮装卸或过度使用武力的影响或下降。穿在身上,手持,便携式设备检测电阻下降是基于三个自由落体的意思是至少1米高度50 mm的木制板上躺在混凝土或类似的刚性基础。
两条路径通过减少测试
这是一个艰难的测试有两个路径:
- 试验和错误:这可能是一个漫长而昂贵的选择,需要测试样品的生产,评估每个测试性能、失效分析和重新设计的另一次迭代测试,直到满足要求。
- 另一种选择是有限元分析(FEA)。设备在几小块,然后变形离散,压力和加速度模拟地面后检查产品组件的影响。
在继续之前,让我们澄清我们所说的部分用于网格模型。他们是元素,设备的三维模型可分为(见图1);他们可以是一个、两个或三维,可以包括四面体和六面体和可以连接到另一个节点上分别的四个或八个顶点。这个网格可以由软件自动完成,而且提炼和修改由用户根据有限元分析的目的。
有多个软件程序可以执行这个分析。我们将考虑ANSYS明确STR,利用显式解算器的优点,使管理不同部分之间的非线性接触点更容易。
ANSYS模块还提供了一个隐式的,通常是用于静态分析或模拟事件的持续时间相对较长(秒或更多)。在这种情况下,二次元素可以作为中间和顶点节点,可以提供更准确的解决方案。
这个模块是用来计算应力和变形相互作用的两个(或很少)的部分,因为没有摩擦处理非线性接触和使用隐式迭代数值方案是比较复杂的。
明确模块另一方面通常用于很短的事件(毫秒),能够处理几个部分的模型和相关联系人。这意味着整个装置可以建模和验证。显式方法遵循一个实足的路径,从而执行一系列的周期的步伐“我”解决方案取决于和来自步伐“张”的解决方案,因此不需要迭代和收敛性检查。
它本质上是不稳定的,需要很短的步伐,使其稳定。这就是为什么它是如此适合非常短的现象,当你需要看看发生在非常短的步伐,像微秒的分数。
当谈到啮合,ANSYS明确STR使用线性元素,而不是二次。因此,网格细化通常需要在该地区的利益。四面体通常倾向于六面体等复杂的几何图形在塑料部件用于医疗器械,和提供的啮合诊断工具软件是用于验证开始仿真网格的质量。
一个主要步骤之前和常啮合模型简化后。非常复杂的功能,如螺纹或角轮将被删除时这并不影响仿真结果。重要的是要记住,一个有限元模型一直是一个简化版的现实和实现之间的最佳平衡简化和可靠的结果需要经验。
现在让我们检查下模拟。我们只能评估几毫秒,取决于可用的计算能力,因此网状模型放置的百分之几毫米模拟层。重力加速度的速度在1 m中风是应用于生产落体作为初始条件。然后我们定义输出检查,例如组件或功能的应变和应力。
在模拟步伐自动适应取决于网格元素的变形。为了避免运行崩溃,您可以删除的砖块变形过大,而检查这些侵蚀元素的数量和位置。这是很重要的,因为我们不想影响问题的物理和欺骗。替代方法是解决这一问题在啮合过程——回到预处理。
数据后处理
最后一步是数据后处理。信息可以提取和理解如果发生,根据策划。延性材料的关键指标的压力,而对于更脆弱的压力——尤其是收益率——感兴趣的点(见图2)。在其他一些情况下,加速度可能相关。
在其他时候加速度可能相关。理解,如果在这种情况下,降低模拟晶体焊接设备上的电路板(图3)受损由于下降或因为这是疲软的样本。
从CAD模型的所有部分设备简化,网状。材料属性被分配到每个部分和连接定义,然后电子组件建模为一个塑料部分,连着PCB。仿真持续了2女士,这足以看到第一个影响和反弹的开始。加速探测器放置在组件视为刚体和加速绘制(图4)。
这个结果与规范提供的电子组件数据表指定的最大加速度是5000 g女士3½正弦波。看着上面的数据,可以得出的结论是,5000 G的3½正弦波女士是没有达到。此外,看着更高频率的结果(10 kHz),可以确定为11000克峰只持续很短的时间内(~ 0.05 ms)远低于极限确定的供应商。
我们可以得出这样的结论:该组件破损是由于特定样本的弱点,一旦核实,避免长期和昂贵的重新设计。我们可以清楚地看到,即使post-simulation,我们可以找到节约成本和时间,提高设计过程的效率。这个例子阐明了有限元分析可以帮助我们了解如何减少测试的结果。它表明可以考虑几个方面,以及如何创建和测试多个样品是可以避免的。
建模阶段是可靠的结果的关键因素。它需要经验和愿景的最终目标,但需要更少的时间比建立和测试多个样本。这种方法提供了直接储蓄项目时间表和预算,和制造商的竞争优势可以更快地向市场推出自己的产品。
Giorgio Sardo Flex设计系统高级职员工程师,已经在Flex米兰设计中心工作了超过15年。Sardo拥有广泛的经验在设计、原型和工业化的各种类型的医疗器械,如自我注射器,笔喷油器、葡萄糖测定仪,手持药物输送设备和牙科层析x射线摄影机。在这篇文章中表达的观点是作者的,不一定反映的MedicalDesignandOutsourcing.com或其雇员。