设计仿真 | 采用Marc软件进行可靠的复杂机械过程模拟

客户背景

瑞士pinPlus公司专注于产品创新和工程领域，致力于应用结构力学和热力学模拟。例如，pinPlus开发和设计用于骨科、创伤学和牙科的植入物和器械。日常工作中的一个挑战是如何在减轻部件、系统和组件重量的同时，提高医疗产品的刚性。pinPlus公司的Martin Züger工程师及其团队致力于研究如何通过模拟非线性过程，尽可能精确地预测这些部件、系统和组件的结构。

专家们使用现代材料，遵循轻量化领域的最新标准，并采用拓扑和结构优化，以实现市场竞争力强且安全的产品。借助与设计相关的强度计算和模拟，pinPlus的工程师能够提前发现潜在的薄弱环节，并在制作样件前优化和改进。通过数值模拟减少开发周期和所需样件的数量，从而实现更快的市场迭代和更低的研发成本。

弹性体的高复杂性非线性材料行为

弹性体材料是一种具有橡胶弹性的塑料，其在医疗和制药行业以及pinPlus的工作中发挥着重要作用。例如，弹性体被用于制造轮胎、软管或密封件。弹性体的弹性、密封性和摩擦性能决定了其应用价值。由于其特性，弹性体表现出高度复杂的非线性材料行为，这给这些产品的开发、制造和分析带来了特殊挑战。

在系统结构中，不同部件之间会发生复杂的相互作用。例如，弹性体部件在安装过程中可能会折叠并膨胀。此外，材料性能还会受到温度和时间因素的影响。

医用注射器中弹性体塞子的密封行为分析应用案例

一家制药公司向pinPlus寻求帮助，该公司怀疑医用注射器中的橡胶塞存在密封问题。通过测试发现，注射器的密封部位的弹性橡胶塞出现了损坏。随后，pinPlus的工程师通过有限元分析（图1）帮助确定这些缺陷是否会影响塞子的密封性能。

图1：橡胶塞的有限元分析模型

在医疗领域，密封性是一个重要的质量标准。注射器在填充后储存，因此其密封性必须在整个产品使用寿命内得到保证，否则产品的保质期会受到影响。pinPlus利用Marc软件的模拟解决方案进行了塞子的结构分析，因为该解决方案在弹性体部件方面具有独特优势：可以使用真实材料数据进行计算，以获取塞子的粘弹性特性。“Marc的另一个关键优势是能够模拟加热或冷却过程以检查密封性，这对我们的客户至关重要”，Martin Züger强调到。

为了确定弹性体塞是否能充分密封医用注射器，制药公司通过计算机断层扫描获取了部件的几何数据然后从逆向工程的创建了数字孪生模型。捕获了部件几何形状并进行了工程。然后基于逆向工程创建了数字孪生模型（图2）；随后在实验室通过动态机械热分析（DMTA）确定了粘弹性材料数据。

图2：实际部件的照片和扫描部件的CAD模型，显示有缺陷的位置

通过模拟受损部件的行为，Martin Züger和他的团队能够进一步模拟时间依赖和温度依赖的密封行为（图3）。

图3：密封塞在装配后一小时、一天和一个月的接触正应力

结  论

通过使用Marc进行非线性结构分析，可以预测材料的行为，并在最短时间内实现最佳开发质量。这可以节省成本，因为无需制造复杂的原型。“借助Marc，可以基于反向工程的几何形状和测量的粘弹性材料数据，研究弹性体对密封面损坏的鲁棒性”，Martin Züger总结道。“数字孪生模型与具有具体缺陷的单个实际部件相对应，而不是通常与理想的CAD几何形状相对应。通过模拟各种代表性选定的塞子，可以彻底评估产品的鲁棒性”。

采用Marc进行非线性有限元分析

有限元分析是模拟和预测固体和结构属性最广泛使用的数值方法。特别是对于非线性结构（如弹性体），需要采用FEA方法以获得可靠的模拟结果。

在创建非线性结构分析时，pinPlus根据具体问题使用海克斯康的Marc、Apex、Digimat、Patran和MSC Nastran等模拟解决方案，单独或组合使用。pinPlus在20世纪90年代末选择了Marc，因为其在非线性领域的性能令人信服。“Marc在功能和性能方面不断提升，并朝着对我们有利的方向发展。获取其他应用程序始终是为了通过Marc改进服务”，Martin Züger总结到。此外，根据具体问题，还会通过内部开发补充这些应用程序，从而通过不同应用程序产生数据流，以结合各种应用程序的功能。

pinPlus目标是创建一个模拟流程，在该流程中软件的可靠性和创新能力是其核心。Marc用于进行非线性的情况下进行结构的有限元分析。结合预处理和后处理程序Marc可用于高级的非线性结构分析、接触计算、复杂材料模型和多物理场分析。可靠地模拟医疗植入物和器械的结构力学属性、与开发和设计并行、帮助pinPlus更快地实现最佳开发质量，为客户带来更好的性价比。

（海克斯康工业软件）

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