客戶背景

瑞士pinPlus公司專注于產品創新和工程領域，致力于應用結構力學和熱力學模擬。例如，pinPlus開發和設計用于骨科、創傷學和牙科的植入物和器械。日常工作中的一個挑戰是如何在減輕部件、系統和組件重量的同時，提高醫療產品的剛性。pinPlus公司的Martin Züger工程師及其團隊致力于研究如何通過模擬非線性過程，盡可能精確地預測這些部件、系統和組件的結構。

專家們使用現代材料，遵循輕量化領域的最新標準，并采用拓撲和結構優化，以實現市場競爭力強且安全的產品。借助與設計相關的強度計算和模擬，pinPlus的工程師能夠提前發現潛在的薄弱環節，并在制作樣件前優化和改進。通過數值模擬減少開發周期和所需樣件的數量，從而實現更快的市場迭代和更低的研發成本。

彈性體的高復雜性非線性材料行為

彈性體材料是一種具有橡膠彈性的塑料，其在醫療和制藥行業以及pinPlus的工作中發揮著重要作用。例如，彈性體被用于制造輪胎、軟管或密封件。彈性體的彈性、密封性和摩擦性能決定了其應用價值。由于其特性，彈性體表現出高度復雜的非線性材料行為，這給這些產品的開發、制造和分析帶來了特殊挑戰。

在系統結構中，不同部件之間會發生復雜的相互作用。例如，彈性體部件在安裝過程中可能會折疊并膨脹。此外，材料性能還會受到溫度和時間因素的影響。

醫用注射器中彈性體塞子的密封行為分析

應用案例

一家制藥公司向pinPlus尋求幫助，該公司懷疑醫用注射器中的橡膠塞存在密封問題。通過測試發現，注射器的密封部位的彈性橡膠塞出現了損壞。隨后，pinPlus的工程師通過有限元分析（圖1）幫助確定這些缺陷是否會影響塞子的密封性能。

圖1：橡膠塞的有限元分析模型

在醫療領域，密封性是一個重要的質量標準。注射器在填充后儲存，因此其密封性必須在整個產品使用壽命內得到保證，否則產品的保質期會受到影響。pinPlus利用Marc軟件的模擬解決方案進行了塞子的結構分析，因為該解決方案在彈性體部件方面具有獨特優勢：可以使用真實材料數據進行計算，以獲取塞子的粘彈性特性。“Marc的另一個關鍵優勢是能夠模擬加熱或冷卻過程以檢查密封性，這對我們的客戶至關重要”，Martin Züger強調到。

為了確定彈性體塞是否能充分密封醫用注射器，制藥公司通過計算機斷層掃描獲取了部件的幾何數據然后從逆向工程的創建了數字孿生模型。捕獲了部件幾何形狀并進行了工程。然后基于逆向工程創建了數字孿生模型（圖2）；隨后在實驗室通過動態機械熱分析（DMTA）確定了粘彈性材料數據。

圖2：實際部件的照片和掃描部件的CAD模型，顯示有缺陷的位置

通過模擬受損部件的行為，Martin Züger和他的團隊能夠進一步模擬時間依賴和溫度依賴的密封行為（圖3）。

圖3：密封塞在裝配后一小時、一天和一個月的接觸正應力

結 論

通過使用Marc進行非線性結構分析，可以預測材料的行為，并在最短時間內實現最佳開發質量。這可以節省成本，因為無需制造復雜的原型。“借助Marc，可以基于反向工程的幾何形狀和測量的粘彈性材料數據，研究彈性體對密封面損壞的魯棒性”，Martin Züger總結道。“數字孿生模型與具有具體缺陷的單個實際部件相對應，而不是通常與理想的CAD幾何形狀相對應。通過模擬各種代表性選定的塞子，可以徹底評估產品的魯棒性”。

采用Marc進行非線性有限元分析

有限元分析是模擬和預測固體和結構屬性最廣泛使用的數值方法。特別是對于非線性結構（如彈性體），需要采用FEA方法以獲得可靠的模擬結果。

在創建非線性結構分析時，pinPlus根據具體問題使用海克斯康的Marc、Apex、Digimat、Patran和MSC Nastran等模擬解決方案，單獨或組合使用。pinPlus在20世紀90年代末選擇了Marc，因為其在非線性領域的性能令人信服。“Marc在功能和性能方面不斷提升，并朝著對我們有利的方向發展。獲取其他應用程序始終是為了通過Marc改進服務”，Martin Züger總結到。此外，根據具體問題，還會通過內部開發補充這些應用程序，從而通過不同應用程序產生數據流，以結合各種應用程序的功能。

pinPlus目標是創建一個模擬流程，在該流程中軟件的可靠性和創新能力是其核心。Marc用于進行非線性的情況下進行結構的有限元分析。結合預處理和后處理程序Marc可用于高級的非線性結構分析、接觸計算、復雜材料模型和多物理場分析。可靠地模擬醫療植入物和器械的結構力學屬性、與開發和設計并行、幫助pinPlus更快地實現最佳開發質量，為客戶帶來更好的性價比。