工程仿真助推卓越成就

8
仿真患者专用的

呼吸模型© 2021 ANSYS, INC.

2021年 / 第3期

9数字孪生可快速实现

生物反应器设计

13
开发生物人工肾

Ansys Advantage
Cover1

目录

35

9

聚焦：医疗行业48

重振信心：数字化个人人体模型

借助仿真和计算机仿真模型实现

数字孪生

显著改善主动脉手术效果

利用仿真创建人体头部模型来帮助
外科医生完善技术，而不会给患者带来任何风险。

7计算机仿真Ansys与Synopsys合作，提升计算机仿真医学优势

Rebecca Bryan博士利用高级计算

技术进行建模与仿真，以成为更好治疗效果的全球倡导者。

计算机仿真生物过程仿真Liesbet-Geris博士倡导在医疗领域

中使用计算机仿真建模，以改善患
者护理。

9

数字孪生

数字孪生帮助生物反应器实现个性化细胞疗法Antleron使用Ansys仿真重新定义
了生物反应器概念。

13

计算流体动力学

44
18

数字孪生

呼吸新鲜空气

俄克拉荷马州立大学的研究人员利
用仿真技术为肺部系统创建定制
模型。

22

高性能计算

利用仿真和高性能计算降低骨质
疏松症患者的骨折风险

博洛尼亚大学的研究人员在超级计
算机上使用Ansys Mechanical，缩短了确定骨质疏松症相关骨折风险所需的仿真时间。

开发生物人工肾

Ansys Fluent正帮助研究人员开发

生物人造器官，以改善等待器官移植的患者的生活。

2

Ansys Advantage

2021年 / 第3期

26

42

增材制造

定制外科植入物，仿真助力修复
患者骨缺损Techfit已研发出一种针对患者专用
的3D打印医疗设备方法。

29

空气动力学

设计世界上速度最快的自行车借助仿真技术，空气动力学专家设计了他们认为有史以来最快的竞赛
自行车，这将在未来得到验证。

44

结构仿真

AdvenChair⸺通过越野轮椅设计实现肆意探险

Onward Project公司利用仿真技术设计出一款用于户外活动环境的轮椅。

交通

酷炫、轻巧且舒适

Podbike使用Ansys产品开发了
FRIKAR，这是一款封闭座舱的节
能型全天候四轮电动自行车。

47

32

拓扑优化

热学电磁学

以更佳方式生成和提供X射线Predator Cycling借助仿真优化

全新的X射线技术。

真技术，缩短了近约8个月的研发

Lumitron使用Ansys工具设计一种35专栏计算流体动力学

流体动力学仿真推进家电设计

Fisher & Paykel在产品开发的早期

阶段采用Ansys软件来优化制冷产
品的设计。

38

骑行体验

该公司在产品设计流程中采用仿

欢迎订阅Ansys Advantage！本期

杂志内容由Ansys客户、员工及合作

伙伴共同撰写，希望您能喜欢。

Ansys Advantage编辑人员
ansys-advantage@ansys.com

编辑顾问
Lynn Ledwith、Mary Beth Clay总编
Jamie J. Gooch执行编辑
Nicole Wisniewski资深编辑Tim Palucka编辑Erik Ferguson

社论撰稿人
Ansys客户卓越部（北美）艺术总监Ron Santillo

时间。

设计师
Dan Hart Design

电气化

ANSYS, Inc.,Southpointe, 2600 Ansys Drive,
Canonsburg, PA 15317

50

Bimotal借助Ansys仿真为您心爱的自行车加足马力Bimotal利用Ansys初创公司计划
开发出了一款可将任何自行车转变
成电动自行车的产品。

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作为工程仿真领域的全球领导者，Ansys在众多产品制造以及工业创新中扮演着至关重要的角色。当火箭拔地而起，飞机翱翔蓝天，汽车高速飞驰，桥梁横跨江海，当人们便捷地操作电脑和移动电子设备，或是体验可穿戴产品，

电气化

成功之道

Ansys的身影都随处可见，尽显卓越。我们助力全球创新型企业推出应市场所需的产品，凭借高性能且完备的工程仿真软件

Ansys仿真软件在帮助学生设计在产品组合，帮助客户跨越技术挑战，不断突破想象赋予工程产比赛中获胜的赛车方面发挥着不可

品更多可能性。

或缺的作用。

ANSYS, Inc.或Dan Hart Design均不保证或担保本出版物所
含材料的准确性或完整性。

ACT, Additive Print, Additive Science, Additive Suite, AIM, Aqwa,
Autodyn, BladeModeler, CFD, CFD Enterprise, CFD Flo, CFD
Premium, CFX, Chemkin-Pro, Cloud Gateway, Customization
Suite, DesignerRF, DesignerSI, DesignModeler, DesignSpace,
DesignXplorer, Discovery, EKM, Electronics Desktop, Elastic
Licensing, Enterprise Cloud, Engineering Knowledge Manager,
EnSight, Exalto, Explicit STR, Fatigue, FENSAP-ICE,FENSAP-ICE-TURBO, Fluent, Forte, Full-Wave SPICE, Granta MI,
HFSS, High Performance Computing, HPC, HPC Parametric
Pack, Icepak, Maxwell, Mechanical, Mechanical Enterprise,
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Meshing, Multiphysics, Nexxim, Optimetrics, OptiSLang, ParICs,
PathFinder, Path FX, Pervasive Engineering Simulation, PExprt,
Polyflow, PowerArtist, Q3D Extractor, RaptorX, RedHawk,
RedHawk-SC, RedHawk-CTA, Rigid Body Dynamics, RMxprt,
SCADE Architect, SCADE Display, SCADE LifeCycle, SCADE
Suite, SCADE Test, SeaHawk, SeaScape, SIwave, Simplorer,
Solver on Demand, SpaceClaim, SpaceClaim Direct Modeler,
SPEOS, Structural, TGrid, Totem, TPA, TurboGrid, Twin Builder,
VRXPERIENCE, Workbench, Vista TF, Realize Your Product
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2021ANSYS,
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图片来源：体育新闻Ansys Advantage33聚焦 医 疗 行 业 / 数 字 孪 生

重振信心：
数字化个人人体模型
显著改善主动脉手术效果
作者：《Ansys Advantage》杂志编辑

4

Ansys Advantage
Advantage
Ansys

2021年//第3期
第3期
2021年

每

年有成千上万的人死于主动脉瘤⸺主动脉（从心脏将血液输送到血管系统的大动脉）虚弱引起的气球状隆起。如果没有及时发现动脉瘤，主动脉最终会撕裂或破裂，导致无法控制的内出血。

如果在动脉瘤破裂前将其发现，胸外科医生可通过修复主动脉并切除动脉瘤来进行干预。然而，修复手术也存在着风险。如果外科医生使用常规开放式手术方
法，可能有多达12%的患者无法被成功救治。

血管内动脉瘤修复术（EVAR）是一种较新的微创手术，死亡率显著下降。在这种手术中，外科医生会在腹股沟做一个小切口，通过该切口插入支架移植物并使
其向上穿行，直至到达动脉瘤为止。到达动脉瘤后，将其安放在最佳位置，增强虚弱的主动脉组织。

动脉瘤模型

EVAR手术的最大挑战是，在没有详细了解每位患者独特的血管几何结构的情
况下，外科医生只能“盲目”操作。虽然成像工具有助于引导支架的插入和安放，

但该过程的特点是实时发现并采取相应措施，而且，计算机断层扫描（CT）等成像
工具只能显示二维图像，因此外科医生对患者血管系统的三维情况几乎无从了解。
仿真助力清晰了解个体患者的情况
Jean-Philippe Verhoye教授是通过个体患者血管系统的生物医学仿真，提供手术信息、产生更好效果的全球领先倡导者。
Verhoye教授是法国雷恩大学医院的心脏与血管胸外科主任。此外，他也是
法国胸腔、心脏和血管外科协会的主席、欧洲胸腔、心脏和血管外科协会的成员，

以及法国心脏外科学院之前的干事。他已发表190篇有关心脏和血管外科主题的文章，并出版了两本相关著作。

Verhoye教授表示：“通过使用CT扫描等常规可用的影像及其它临床数据来
生成血管系统的3D虚拟模型，外科医生可使用实际患者的特定几何结构，提前‘练

主动脉血流仿真

习’其EVAR手术。要知道，根本不存在身体或血管系统完全相同的两个病人，因此外科医生可以根据个人情况优化支架穿行和定位的过程。”Verhoye教授解释
道：“仿真使我们能够创建基于特定个体的人
体数字孪生体（虚拟人体）。我们可以在这个个体数字化模型上操作，在不给患者带来任何风险的情况下，完善我们的外科手术技术。”
从新兴概念到日常实践

七年多来，雷恩大学医院Verhoye教授

的心脏和胸外科团队始终致力于在进行EVAR

手术之前，通过Ansys LS-DYNA完善对患者
建模的利用。他指出：“我们有一个专业研究人员团队，负责执行网格划分和建模，他©©2021
2021ANSYS,
ANSYS,INC.
INC.

血管内动脉瘤修复（EVAR）手术仿真。使用Ansys软件建模，

显示了五位主动脉瘤患者完全不同的血管几何结构。法国雷恩
大学医院的外科医生能够提前仿真插入主动脉支架的过程（路径显示为黑色），以获得没有任何误差的最佳结果（路径显示为红色）

Ansys
AnsysAdvantage
Advantage55

聚焦 医 疗 行 业 / 数 字 孪 生

们通常会与外科团队密切合作。”所得
到的模型不仅可反映血管的整体几何结
构，而且还可反映主动脉与脊髓之间的距离（这是一个关键的边界条件）以及动脉壁的属性。

Verhoye教授继续道：“Ansys一
直与我们合作，确保所提供的数据，包括CT和MRI（核磁共振成像）扫描，可在为特定个体患者血管系统建模的过程中，Ansys软件准确地复制了
整体器官的几何结构，以及动脉壁钙化或血栓形成等重要属性

反馈到软件中，自动产生一个几何结构

正确的精细网格模型。此外，Ansys还帮助我们开发了一些针对医疗领域的专业技术，例如了解在插入支架时会出现哪类组织变形。”

Verhoye教授及其团队在每年100多台成功的EVAR手术中使用由Ansys
支持的建模方法。他讲道：“从最初构想到实际应用，我们花了好多年时间，
但今天，术前建模已成为雷恩医院主动脉瘤患者的常规程序。”

个体患者建模的方式为Verhoye教授的团队提供了三大能力。他说：“首先，通过仿真，无需打开胸腔，我们便能准确地看到患者体内的情况。这
本身就具有颠覆性。然后，这还有助于我们自信地预测结果，随后，根据具体
情况就手术将面临的挑战进行交流。我们在做手术之前，对于手术中可能会发
生的事情达成了共识。这是非常有价值的。”
塑造更具创新性的未来

Verhoye教授不仅在亲自主刀以仿真为导向的手术，而且还在培训新一代外科医生，让他们掌握这些先进技术。他预测：“我认为在10到15年内，术显示主动脉和脊柱之间距离的模型

前建模将成为一种行业标准程序。但在获得监管部门和保险公司大规模审批之前，我们必须进行大量的临床试验。在这个过程中，我们不仅会强化自身实力，而且还会确立最佳实践。”除审批外，Verhoye教授还指出，文化和财政方面的阻碍也是该技术被更快普及采用的拦路虎。Verhoye教授指出：“我们很幸运，雷恩医院很快

就了解了仿真的概念及其潜在的优势，我们已经能够对其进行投入来证明这个构想了。要知道并不是每所大学或医院都愿意支持这种激进的创新。”

Verhoye教授继续道：“此外，我们还获批可以自由组建仿真团队，切实了解我们外科医生的挑战。临床医生和工程师之间经常存在沟通不畅的情该模型还显示了动脉壁的属性

况，但我们通过共同生活来增进相互的了解，解决了这一难题。我们现在可以
用“同一种语言”顺利沟通。我们都致力于利用现有最好的技术，改善患者的治疗效果、拯救生命。真正的生物医学创新，就是这样产生的。”
6
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AnsysAdvantage
Advantage
Ansys

2021年
2021年 // 第3期
第3期

聚焦 医 疗 行 业 / 计算 机 仿 真提升计算机仿真医学的优势R

ebecca Bryan攻读博士学位时，使用Ansys Mechanical所支持的统计建模技术，设计
了将不同股骨模型人群纳入考量的骨科器械评估。她对这一构想十分着迷。
Bryan表示：“我们每个人之间都有很大的差异性。比如，我们不能在一名身高6英尺6英寸的年轻突击队员身上测试一项新设计，然后指望它在90岁高龄、身高5英

尺的祖母身上有同样的效果。但令人振奋的是，现在我们不仅可尝试捕捉这种差异性，而且还可通过计算机建模将更好地用于了解植入物如何发挥作用。虽然这项工
作很辛苦，但我很喜欢。”

Rebecca Bryan博士

其中一项挑战是，将数十个患者数据集（通常是CT影像）转换为适合计

算机建模的3D模型。当Bryan得知一家名为Simpleware的初创公司专门针对这项工作开发了一款软件时，她立即申请了该公司的工作。她讲道：“我周五提交了毕业论文，周一
就去Simpleware上班了，作为一名应用工程师。我对这款产品充满热情，迫切希望马上开始工作。”
成为计算机仿真医学的全球倡导者Bryan在Simpleware工作了11余年（2016年Simpleware被Synopsys收购），她担任过
各种职位，在联盟建设、销售和业务拓展方面取得了稳步发展。她已成为使用高级计算技术建模和仿真医疗的全球倡导者，这种方法被称为计算机仿真医学。

Bryan解释道：“如果我们可以通过医学成像生成高质量的患者3D计算模型，预测植
入物如何在患者体内实际发挥作用或如何为手术设计
提供深度信息，那我们就可以开始为不同个体定制医疗服务，显著改善手术结果。”

她继续道：“同样令人振奋的是，我们不仅可大规模使用计算机仿真方法，在仿真环境中测试新医疗器械或治疗方案，而且还可帮助为监管部门的审批提供证据。与传统人体或动物研究相比，计算机临床试验不仅速度更快、成本更低，而且风险为零，这为研究人员带来了创新的自由。”

在人工智能和机器学习的支持下，Simpleware

的解决方案可显著缩短生成可用于仿真的模型所需的时间，这为大规模采用计算机仿真方法提供了有力支

Simpleware ScanIP Medical与Ansys仿真软件进行完美结合，帮助临床医生为术前设计构建可靠的模型

持。CT扫描和MRI等3D成像可快速无缝转换为3D模型，

为设计和仿真研究做好准备。Simpleware可通过自动化流程，精确处理影像，获得测量值和统计数据，并在手动处理所需时间的一小部分时间内导出高质量模型。

由于Simpleware可直接将模型导出至Ansys软件，两家公司已形成合作伙伴关系，强化计算机医学的优势。Bryan指出：“Ansys与Synopsys的合作，旨在为计算机临床试验扫除技术障碍。现在，我们的共同使命是通过外联、宣传以及成功案例来克服文化和教育障碍。我们希望传播这条消息，期盼计算机仿真医学能够充分发挥其
潜力。我坚信，计算机仿真医学有能力为医疗行业带来颠覆性的创新，也很高兴能成为创新行列中的一份子。”© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage7聚焦 医 疗 行 业 / 计算 机 仿 真借助仿真和计算机仿真模型
实现生物过程仿真计

算机仿真实验（即利用计算机进行研究）这一概念正在激发全球生物医学界的想象力。通过在仿真的虚拟环境中复制疾病进展、预测手术结果以及研究各种药物疗法的疗效，研究人员可以创建更有效的治疗策略，并最大限度地提高疗效，而且不会对人类或动物受试者造成任何风险。

比利时列日大学、鲁汶大学生物力学和计算组织工程学研究教授Liesbet Geris

博士预测道：“我相信，就在不久的将来，如果在生物医学研究中不使用计算机仿
真方法，会被视为不道德。”Geris主要研究骨骼和软骨再生、计算组织工程学

Liesbet Geris博士

以及可按需进行3D打印的骨科植入物设计，她一直在其研究中使用Ansys解决方案。

Geris解释道：“鉴于计算机仿真方法的巨大优势以及建模和仿真工具日益提高的准确性，我们将在实验中减少对人类或动物受试者的需求。与使用传统的体外和体内方法相比，先进的仿真工具将使我们能够更快速、更自信、更低成本地推动研究。”

Geris表示，计算机仿真实验的一大主要优
势是，能够创建出反映特定个体患者的定制模型。Geris指出：“每个个体的人体构造、动作
和行为各不相同，通过创建特定个体患者的仿

真，我们可以预测拟定的治疗计划将如何发挥作
用，这不仅仅是一种通用的方式，而且在某些情
况下还可以针对特定的患者。这一突破性概念有望从根本上改变我们在医疗环境中治疗患者的方式。”Geris作为虚拟生理人类研究所（VPHi）的执行主任，正身处这场颠覆性
发展的最前沿。在VPHi任职期间，她通过与临床界、欧盟委员会和议会、欧洲药品管理局（EMA）以及美国食品和药物管理局（FDA）等监管机构合

作，积极倡导在医疗领域中使用计算机仿真建模。Geris是VPHi有史以来最年轻的执行主任，也是第一位担任该职务的女性。

得益于Ansys仿真软件的持续发展，Geris和她的研究团队能够更容易复制生物过程，例如介质流经生物反应器中的支架，这对她们的工作至关重要。“我们的工作不断取得新发展，以确保每个
研究团队和每个临床团队都在使用仿真和计算机仿真模型来仿
真生物过程，预测患者对治疗的生物反应并显著改善疗效。
我很自豪能够在倡导全球医学界采用计算机仿真方面起到带头作用。”
8Ansys Advantage

Geris 倡导使用计算机仿真
模型实现更佳的治疗

“我们的工作不断取得新发

展，以确保每个研究团队和临床

团队都在使用仿真技术和计算机

仿真模型来仿真生物过程，预测患者

对治疗的生物反应，并显著改善”疗效。

2021年 / 第3期

聚焦 医 疗 行 业 / 数字 孪 生

数字孪生帮助生物
反应器实现个性化
细胞疗法
作者：《Ansys Advantage》杂志编辑虽然几家大型制药公司在不到一年的时间里，在研发和生产大量新冠病毒疫苗方面取得了惊人的成果，但对于较小范围、患有罕见疾病的个别患者或少数患者而言，还是存在许多制药挑战。这种“个性化医疗”方案使得诸如位于比利时勒芬市的Antleron等公司重新定义了生物反应器的概念，其可使用Ansys仿真解决方案和数字孪生技术优化和定制细胞生长，以达到治疗的目的。

Antleron联合创始人、首席执行官Jan Schrooten表示：“虽然我们仍在使用‘生物反应器’这个词，但我觉得‘定制工厂’更形象。它看起来像一个微型化工厂，但与产出数千升的大型制药厂不同，其产出的最终产品可能只有1毫克。”

Schroten在学术界工作了25年，主要进行构建活体植入物的试验以及组织工程实验，之后于2014年创立了

Antleron。作为一名工程师，面对学术界在将实验室工作转化为实际解决方案时的局限性，他辞去高校职务，创办
了一家初创型公司。经过深思熟虑，他和他的同事们决定将公司命名为Antleron（鹿角生长），因为鹿角每年会生

长一米以上，这是自然界最惊人的再生生物过程之一。这个名字符合他们的使命：“实现活体治疗方法⸺将细胞转化为组织器官的个性化疗法。”
Ansys初创公司计划的帮助
Schrooten对Ansys仿真软件并不陌生，他使用这些软件已有大约25年之久。他意识到，仿真对于构建和监控

他心目中的生物反应器至关重要。但是，和大多数初创型公司一样，最开始Antleron的资金并不充足。因此，他联© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage

9“ 虽然我们仍在使用‘生物反应器’这个词，但我觉得‘定制

工厂’更形象。它看起来像一个微型化工厂，但与产出数千升的”

大型制药厂不同，其产出的最终产品可能只有1毫克。

系Ansys并了解了Ansys初创公司计划，该计划以极低的价格为其提供了仿真软件，而他从该项目中得到的，远不只
是经济效益。

Schrooten讲道：“即使是支付完整的软件许可证费用获取软件，对我们而言也没有Ansys初创公司计划那样有帮助。因为，最关键的是能够与Ansys专家一起探索软件，并能获得他们对于如何完美执行我们正在努力去做的工作的反馈。该计划为企业提了框架，让我们既可以相互学习，又可以建立互利的牢固关系。通过与其他合作伙伴展开类似合作，我们不仅能融合各种潜在的核心计算

技术和实验技术，而且还能将其整合在一起，实现创新细胞治疗

制造解决方案的工程。”

使用Ansys解决方案，Antleron现已能够设计定制生

物反应器，将活细胞放在最适宜的环境中生长修改。他们使用质量源于设计（Quality By Design）、数字孪
生、增材制造以及其它工程技术获得成功。
仿真复杂的生物反应器在互联网上快速搜索生物反应器图片，会出现一

系列容器、搅拌器、管道、阀门以及其它与普通化工厂

类似的东西，但几乎不会出现生物反应器复杂的内部运
作方式。把活细胞纳入这种复杂情况下，由于生物过程
固有的复杂性和可变性，事情很快就会失控。

Antleron数字孪生与建模业务负责人Tommy Heck
表示：“一个细胞本身要比我们正在研究的整个生物反应
器要复杂得多。细胞内部有许多由不同分子组成的信号通路，所有这些通路不仅会受细胞所吸收的营养成分的影

数字孪生是Antleron质量源于设计方法的重要组成部分，可快速跟踪优化及可扩展生物反应器设计的研发。在基于风险的迭代研发流程循环中，首先通过CFD仿真在计算机上测试设计方案。然后对有

希望的设计进行增材制造和实验测试，从而用最少的时间和成本实现优化、稳健、可扩展的生物反应器设计响，而且还会受细胞所经历的机械条件的影响。因此太过复杂，使用简单的模型无法呈现。我们不知道到底发生了什么，因此，最好采用混合仿真方法来仿真这一过程。”这些细胞习惯于在人体提供的特定条件（例如，温度、pH值和机械刚性）下生长。但在体外实验中，细胞的环境通常类似于开放式塑料培养皿，这并不理想。

Schrooten指出：“将细胞置于它们能识别的、生理性更高的环境中，可以改善这种情况。关键是对这种环境的10

Ansys Advantage

2021年 / 第3期

聚焦 医 疗 行 业 / 数 字 孪 生定义。我们可创建一个三维（甚至四维，因为时间很宝贵）受控封闭式环境，对其进行监控和定制，以达到最佳
效果。”细胞不会粘在开放式培养皿底部，也不会粘在封闭式搅拌槽中，在封闭

式搅拌槽中，细胞漂浮在流体悬浮培养基中并附

着在塑料微粒上，除此之外，生物反应器受控的封闭式环境还可填充表面积很大的材料，为细胞提供
定制及可控程度更高的生成表面。这种内部材料可以是高孔隙度的结构，也可以是针对优化流体流动
和细胞生长条件精心设计的、工程化程
度更高的3D通路。

Heck道：“通常可使用几何单元构

建生物反应器的内部结构。您或许会有混合数字孪生，结合基于数据的计算机仿真和机械计算机模型，
有助于对封闭式生物过程进行实时监测和控制，这不仅可优化
过程效果，而且还可最大限度减少过程时间和成本

一个重复的立方体形状，也或许会有一些凸凹的形状，为分配流体流动提供一些更大的通道。Ansys Fluent对于预测通过这些复杂路径的流量非常重要。我们可通过将计算流体动力学（CFD）仿真纳入设计、增材制造及实验的迭代循环，快速筛选并比较各种设计。这不仅可显著减少研发生物反应器的时间和成本，同时还可优化其性能。”

组合定制生物反应器及其内部结构的目标是，为细胞提供一个连接表面，同时提供最佳流动条件，而且还要确

保高效提供所添加的葡萄糖和氧气营养素，其可为细胞提供养分，使其生长。但在如此复杂的3D结构中插入流量
计、探针和葡萄糖传感器非常困难，因此无法测量生物反应器内部的局部情况。为此，Antleron制定了一种适应共同开发混合建模的计算机方法，其目的是通过综合使用基于物理场的监测仿真以及基于数据的仿真方法，为实现生
物反应器的数字孪生提供支持。

基于数据及仿真的生物反应器数字孪生

Schrooten表示：“一旦设计出一款更优化的生物反应器，我们就想知道在细胞培养过程中会出现什么情况，

因此必须监测和控制该过程。但不能把生物从生物反应器中取出来进行侵入性测量。因此，需要为生物反应器增加
智能性，并想办法最大限度提高对数据的使用。我们使用数字孪生，以可扩展的方式监测和控制该系统。数字孪生
是一种可将计算机专业技术与实际实验联系起来的模型。”

由Heck负责管理的数字孪生机制仿真是基于物理场的流速、流向、剪切、营养浓度及其它流体属性仿真，通常

由Fluent完成。Antleron负责先进治疗药品（ATMP）生物过程以及数据型建模的Evan Claes正在研究另一半数字孪生解决方案，他从生物反应器内的传感器或无创采样中收集数据，以便高效“了解”生物反应器中的细胞如何对不同条件做出反应。Claes说：“就像如何监控婴儿或幼畜进食一样，有关细胞养分吸收的数据可用来推断其生长速度，这在生物反应器中无法直接测得。”虽然这些基于数据的模型可准确预测“简单”生物反应器中的细胞生长情况，但工程内部结构的存在会让情况变得更加复杂。Claes解释道：“如果有一个可为细胞生长提供很大表面积的内部结构，您可能无法将大量养分送入该结构中心，因为养分还未到达中心，就会被支架外部的细胞消耗掉。但是，基本上无法收集这方面的数据，因为无法在该结构中放置传感器。然而，使用Fluent，我们可以通过了解结构外部的浓度来仿真结构内部的浓度，而结构外部的浓度可以测量。”© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage11将基于机制和数据的仿真方法相配合，可提供数据，反馈给生物反应器的数字孪生体。数字孪生有助于
Antleron工程师及科学家更好地了解真实生物反应器在既定时间内发生的情况，以便他们调整养分数量，确定系统
中有多少细胞并知道何时停止这一过程。
制定生物疗法，培养活组织

除了增加生物反应器中的细胞数量外，生物技术公司还可修改细胞，制定基于细胞的疗法。例如，起始点可以是

一个诱导多能干细胞（iPSC）的样本，它源于已被重新编程回胚胎样多能状态的皮肤或血液细胞。从iPSC可以逐渐形成无限来源的、所有类型的人类细胞，用于治疗目的。

Schroten讲道：“一旦有了所需数量的细胞，我就可以将其转化为另一种类型的细胞，我也可以将其与另一种
细胞结合，形成一个组织。如果我有可形成肝脏的细胞，或者比如说，软组织，我就可以在生物反应器中给它们提示，将它们与某种材料结合在一起，转化为最终产品（这里是肝脏）。”从生物反应器中采集细胞细胞发育成熟并经过修改后，必要时，必须将其从生物反应器中高效采集出来。每个细胞都是一个离散单元，因此与Ansys Fluent耦合的离散单元软件Rocky DEM可在该过程中提供帮助。Rocky DEM可展示，在改变流动或将“ 我们可通过将计算流体动力学（CFD）仿真纳入设计、增材制造及实验的迭代循环中，快速筛选并比较各种设计。这不仅可显著减少研发生物反应器的”

时间和成本，同时还可优化其性能。

一些酶或蛋白质添加至生物反应器中时，如何才能使细胞从其附着的基质上松动，以便细胞分离和采集。
Heck道：“生物反应器中有数百万个细胞，但它们都是单独的颗粒，所以希望让它们就这样，而不希望将其作
为连续的材料。使用Rocky DEM的仿真可帮助我们优化接种和采集这些细胞的条件。”
当前和未来的工作

在Antleron目前的项目中，有一个涉及针对免疫疗法杀死癌细胞的潜能的研究。免疫疗法不使用放疗或化疗，

而是提供特定的蛋白质，通过其对注入患者体内的特定细胞的附着来对抗癌细胞。在这种情况下，起始点是患者自身
的树突细胞，该细胞是其免疫系统的重要组成部分。这些细胞会在生物反应器中不断繁殖并加载活性蛋白。随后将其
返回患者体内，希望能杀死癌细胞。

从长远来看，Antleron希望超越个性化细胞疗法，创建可移植到人体的活体器官，以便在原来的器官因疾病或损伤衰竭时，延长患者的寿命。尽管有很多潜在的人体器官捐赠者，但实际只有一小部分人在他们因故身亡后成功捐赠器官，大部分机会则因逝世者的亲人不知道他们捐献器官的意愿而丧失。人工器官有助于拉近供需差距，但要实现这一崇高的目标，仍然有很多挑战要应对。

Schrooten表示：“我们发现有大量用于其它行业的工具和技术对医疗行业也有帮助，例如增材制造和功能强
大的仿真技术。在Ansys仿真的帮助下，我们可以先在计算机上进行大量开发，然后执行体外培养，最后再进行体内

操作。这就是为什么我们确信，如果我们通过仿真实验了解了生物过程的发展规律，就可以遵循这一规律构建理想的
生物反应器。”
12

Ansys Advantage

2021年 / 第3期

聚焦 医 疗 行 业 / 计算 流 体 动 力 学

开发生物人工肾
作者：《Ansys Advantage》杂志编辑

在Ansys Fluent的支持下，The Kidney Project（Kidney项目）研究人员正在创造一种可通过外科手术植入并能够独立工作的小型生物人工肾，以帮助目前正在接受透析和等待肾脏移植
的成千上万名患者显著改善生活质量。

© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage

13在肾脏“罢工”之前，大多数人并不懂得珍惜。这些小小的器官负责过滤血液中的毒素，并调节电解质和血压。它们会产生尿液和重要激素，并帮助维持身体的pH值平衡。但是在肾脏病的第五期，也被称为终末期肾脏病（ESRD），意味着一个人的肾脏已经衰竭。它们无法再充分地执行这些重要功能。如果

不介入治疗，死亡将不可避免。

不过，介入治疗的选择非常有限。ESRD患者可以接受透析，这是一种利用机器过滤血液并尽可能清除毒素

的临床程序。遗憾的是，透析在清除血液毒素方面的效果只有肾脏功能的10%左右，而且它无法提供肾脏的代谢益处。此外，透析的代价非常高。三到四个小时的透析过程不仅费用高昂，而且这个过程让患者感到筋疲力竭，
因此当他们与透析机固定在一起时，实际上就会失去一整天的时间。更糟的是，并非一天就能解决问题：透析患者必须每周接受三次透析过程。

相比之下，肾脏移植的好处就要大得多，因为移植的肾脏可以发挥患者原有肾脏的所有功能。但是，每年肾脏捐献的数量无法满足移植需求。每时每刻，等待肾脏移植的患者就可能超过100,000人，但每年捐献的可存活
的肾脏只能用于进行大约20,000例移植手术。
启动KIDNEY项目

在上述所有因素的推动下，“Kidney项目”应运而生，这是一个由工程师、科学家和临床医生共同参与的全国性研究项目，该项目研究团队的总部设在加州大学旧金山分校（UCSF），而且该项目的合作者还包括密歇根大学、范德堡大学医学中心和其它机构。该项目的目标是创造一种可通过外科手术植入、能够独立工作的生物人工
肾，它将尽可能地发挥健康人类的肾脏功能。

这个微小设备的一部分（血盒）可用于执行肾脏的血液过滤功能。另一部分（生物盒或生物反应器）可用于容纳实验室培育的来自人类肾脏的细胞，而这些细胞将提供健康人类肾脏所具有的代谢益处。在第一版的生物
人工肾中，这些嵌入的肾细胞（来自人类遗体的肾脏，不能用于移植，但其肾小管细胞可以进行保存、分离和复制）有望支持电解质的调节。在未来的版本中，Kidney项目研究人员预计，其它嵌入的肾脏细胞将提高对pH值
和血压调节的支持功能，并提供其它激素作用。

按照设计，这种微小的、通过外科手术植入的设备可持续工作，不需要电池供电，而是完全通过人体的血压驱动。因为其毒素过滤是持续进行的，所以使用生物人工肾的患者不需要每周三次用透析机进行透析，他们也不

会经历透析所带来的精疲力竭。这些改进将对ESRD患者的生活质量产生巨大影响。此外，它们还将对Medicare

植入式生物人工肾设备的图示，显示了两个隔室的结构。患者的血液通过血液过滤器，以清除毒素。然后，
血液重新流向生物反应器，其中肾细胞确保从超滤液中
适当地将水和盐分重吸收回
患者的血液中14

Ansys Advantage

2021年 / 第3期

聚焦 医 疗 行 业 / 计 算 流 体 动 力 学

健康保险支出产生重大影响。Medicare是美国联邦政府针对特定人群提供的健康保险。ESRD是唯一一种无论患者年龄大小，治疗费用都由Medicare全额支付的疾病。目前，Medicare每年花费超过400亿美元来支付ESRD医疗费用。这大约占其年度预算的7%，然而，这些资金只能用于照顾1%的Medicare群体。而没有其它任何一种疾
病具有这种不成比例的影响。
开发生物人工肾借助Ansys Mechanical，Kidney项目设计人员创建并改进了生物人工肾的所有物理组件的详细模型，包括通过改进设计和大幅减少低剪切区域，消除了凝块形成。在植入动物体内30天后，底部的血液过滤器隔室内部的备选流道设备没有显示凝块形成测量备选血液过滤器流
道在体内的边界条件，
计算流体动力学(CFD)

输出的流道参数用紫色
表示© 2021 ANSYS, INC.

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15借助Ansys Mechanical，Kidney项目设计人员创建并改进了生物人工肾的

所有物理组件的详细模型，包括使用突破性的硅纳米孔薄膜技术来支持生物
人工肾的操作，在很大程度上变得可行。

使用突破性的硅纳米孔薄膜技术来支持生物人工肾的操作在很大程度上变得可行。Kidney项目创造的这些薄膜将实验室培养的人类肾脏细胞封装在设备的生物盒中。当血液流经薄膜时，嵌入的肾脏细胞将执行与正常健康肾脏
细胞相同的代谢功能。在Mechanical中进行大量的应力仿真后，设计人员找到了可用于设计的厚度、孔径和孔分
布的理想平衡状态。薄膜的微加工孔仅有10纳米宽，这对于与人体免疫系统相关的血细胞来说太窄了，以至于后者无法穿透该薄膜并发现这些“外来”的肾脏细胞，从而避免人体排斥生物人工肾。与此同时，薄膜的孔径足够
大，可以过滤掉血液中的毒素、盐分和水。血压不断驱动这些滤液通过血盒并进入生物盒，生物盒将必要的盐分
和水重新吸收回血液中，从而将毒素集中到尿液中，并直接进入膀胱。

由于需要让血液流经这些薄膜和设备内的通道，Kidney项目研究人员知道设备设计必须能够最大限度地减
少血凝块形成的可能性。当血液的化学物质与表面发生反应时，或者当血流中断、血小板聚集形成凝块的成核位点
时，就会形成凝块。研究人员知道，他们可以利用具有生
物友好特性的化学物质来处理硅薄膜的表面，以防止由化
学反应引起的凝块现象，但这需要一种方法来优化和简化

备选生物反应器血流流道的Ansys Fluent
全范围壁面剪切应力等值线图通过该设备的血流，以避免出现中断并保持血流的层流状态。

为了实现这一目标，Kidney项目工程师与SimuTech

集团的计算流体动力学（CFD）专家合作，使用Ansys
Fluent和Ansys CFX来仿真和分析血液流入、流经和流出多种生物人工肾设计的情况。在给定的设计中，研究人员
需要了解血液再循环的区域产生凝块的可能性。他们需要备选生物反应器血流流道的Ansys Fluent有限范围壁面剪切应力等值线图。这里的范围被

限制为10达因/平方厘米（或1帕），其对应于凝块的成核阈值

调整过滤盒的设计，以保持足够低的壁面剪切应力，从而
防止红细胞破裂并成为凝块的成核位点。与此同时，他们

需要确保设计改进不会将较低的壁面剪切应力降至更低的

水平（低于1帕），以免导致血细胞聚集，进而产生成核位
点以及有利于凝块形成的条件。

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Ansys Advantage

2021年 / 第3期

聚焦 医 疗 行 业 / 计 算 流 体 动 力 学
Ansys Fluent壁面剪切应力

结果显示了低壁面剪切应力

区域和高壁面剪切应力区域，
这可能导致血小板损伤或活化

通过在Fluent中仿真不同设计中的血液流动情况，并在CFX中可视化结果，
Kidney项目研究人员可以精确测量血液流速，识别可能形成凝块的区域，
了解这些点可能产生凝块的原因，然后整合这些因素并测试设计调整。
仿真有助于促进设计筛选通过将Mechanical中创建的设计导入到Fluent，然后在Fluent中运行血流仿真，Kidney项目团队可以轻松评估和改进（或者说筛选）大量设计选项。他们可以通过Mechanical创建每个设计的物理原型，但是测试每个
物理原型不切实际。这种方法将花费更长的时间，产生更高的成本，并引发伦理问题，因为这可能需要大量的动
物来验证不同原型的有效性。

通过在Fluent中仿真不同设计中的血液流动情况，并在CFX中可视化结果，Kidney项目研究人员可以精确测量血液流速，识别可能形成凝块的区域，了解这些点可能产生凝块的原因，然后整合这些因素并测试设计调

整。他们可以在Mechanical中快速改进原型设计，然后在改进的设计上快速运行新的仿真。这可以最大限度地减

少在动物上构建和测试原型的需求。事实上，当Kidney项目研究人员构建并测试可行设计的原型时，他们很快发现血凝块形成的位置正是Fluent所预测的位置，这促使他们在构建可行设计备选方案的原型之前，更加专注于使
用Fluent来改进设计。他们可以看到，仿真结果和实际结果良好匹配。
努力实现渐进式改进虽然开发生物人工肾的目标看似遥不可及，但Kidney项目研究人员深知，该设备并不需要完美地复制健康人

类肾脏的全部功能。如果它可以为患者提供肾病4期时的肾脏功能水平，就将显著改变患者的生活质量，因为许多
处于肾病4期的患者甚至感觉不到肾脏疾病所带来的负面影响。他们可以正常饮食、运动，甚至四处旅行，就像大
部分普通人一样。但是，一旦发展到需要透析的阶段，这一切就变成了奢望，随之而来的只剩下等待肾脏移植的漫长过程。

在Fluent和CFX的帮助下，Kidney项目研究人员正在努力开发生物人工肾，以实现快速、高效、并且比其它方式更具成本效益的设计目标。

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Ansys Advantage17聚焦 医 疗 行 业 / 数字 孪 生

呼吸

新鲜空气

俄克拉荷马州立大学的教员兼研究员Yu Feng博士利用仿真技术为不
同患者的肺部系统创建定制模型。
通过创建人体呼吸系统的数字

孪生体，Feng将帮助医疗团队
为每位患者提供个性化治疗

方案，从而提高药物疗法的有效性并为更好的疗效提供支持。

作者：《Ansys Advantage》

杂志编辑Feng创建的人体呼吸系统几何模型从口腔一直延伸

到肺泡⸺肺部支持气体交换的充满液体的微小囊。他的工作是阐明有毒颗粒和治疗性颗粒是如何通过流固耦合被吸收的。（感谢日本德岛市德岛大学的Kenichiro Koshiyama博士提供的用于生成肺泡几何结构的代码。）
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Ansys
Ansys Advantage
Advantage

2021年 / 第3期

作

为中国浙江大学工程力学专业的学生，Yu Feng博士很早就对医疗应用产生了非同寻常的兴趣。

他回忆道：“我的大多数同学都对涡轮机和航空航天科学十分着迷，但我却对人体力学更感兴

趣，尤其是呼吸系统。”早在2007年，作为他本科研究的一部分，Feng就使用Ansys Fluent对肺中的空气轨迹开展了计算流体动力学（CFD）仿真。在北卡罗来纳州立大学攻读机械工程硕士和博士学位期间，他
继续从事这项工作。

时光飞逝到2021年，Feng在使用工程仿真技术（包括CFD和结构建模）创建个体人类患者呼吸系统的数字

孪生体方面已经成为领先者。他在俄克拉荷马州立大学计算生物流体学和生物力学实验室的团队，正致力于更深
入地了解呼吸过程，并改善肺部健康状况，目前这一话题引起了全球的关注。

他指出：“仿真提供了一种非侵入性的方式来了解每位患者呼吸道的几何结构和力学，使治疗更具针对性、

更有效。我的整个学术和职业生涯都是基于使用仿真技术来改善人体呼吸系统健康，而COVID-19疫情让我投入了更多精力。”

更准确地跟踪有毒颗粒与治疗性颗粒

在俄克拉荷马州立大学化学工程学院的研究小组中，Feng使用Ansys Fluent和Ansys Mechanical构建特

定对象的完整呼吸模型，覆盖了从口腔开始的整个肺传导区。Feng的仿真结合了计算流体颗粒动力学（CFPD）
和基于生理学的药代动力学/毒代动力学（PBPK/TK）模型，以捕获吸入气溶胶在肺部系统中的运输、沉积、易位和清除。Feng的动态仿真是第一批捕获到人体呼吸道暴露于悬浮颗粒时的复杂工作机制的仿真。

通过对整个肺部的几何结构进行建模，然后创建动态数字仿真，Feng可以收集高分辨率数据，并进行参数研究，以显示颗粒是如何随时间变化而分布和吸收的。这项先进的研究不仅可以提高吸入器和其他呼吸疗法的有效性，而且还可以帮助阐明冠状病毒和其它空气传染病是如何进入肺部的。

通过使用仿真对咳嗽后空中
悬浮颗粒的传播路径进行

建模，Feng及其研究团队将提高对COVID-19病毒和其它
空气传染病的传播方式的共同认知© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage19聚焦 医 疗 行 业 / 数 字 孪 生

在俄克拉荷马州立大学的实验室里，Yu Feng正在

利用流固耦合仿真来了解
人体气道如何受到不同位置障碍物的影响，以及每个障碍物如何影响空气流
动和治疗方案Feng解释道：“通过Ansys软件进行肺部建模可以帮助临床医生更好地理解和将颗粒流可视化，因此无论
患者的呼吸状况如何，他们都可以设计出更有效的设备和治疗方案，为肺部提供药物疗法。在抗击COVID-19疫
情和其它空气传染病方面，这些仿真还可以帮助解释病毒如何附着在肺部、生长并引发免疫系统反应。”“仿真提供了一种非侵入性的Feng在俄克拉荷马州立大学的研究团队也在使用动态仿真来提高对冠状病毒在室内和室外环境中的传播方
式的共同认知。Feng希望通过揭示悬浮颗粒的传播方式，

以及通风系统对其传播途径的影响，保护医护人员和公众免受空气传播的感染和污染。

特定个体患者的数字孪生：一种新兴概念

据Ansys医疗解决方案项目总监Thierry Marchal表示，

Feng创建的模型最令人振奋的一点是，它们可以进行定制，以反映特定个体患者呼吸道的准确几何结构。

方式，来了解每位患者呼吸道的几何结构和力学，使治疗更”具针对性、更有效。

Marchal强调：“Feng博士在定制人体仿真方面的工作处于当今医学研究和发展的前沿。全球医疗行业认识到，
个性化的药物输送、手术和其它医疗干预方法可以显著改善疗效。”

Feng的建模方法究竟如何影响患者疗效？设想一位呼吸道有特殊畸形的患者，例如疤痕声门部分阻塞了气
道。通过使用CT图像、MRI扫描或其它成像方法的输入，在Ansys Mechanical中创建基础几何结构，Feng可以对这种非常特殊的畸形结构进行建模。然后，他可以添加Fluent来构建数字孪生，动态地再现真实环境下的气流，从口腔一直到肺泡（即肺部的小囊）。通过添加PBPK/TK模型来扩展Fluent的功能，Feng接下来可以预测颗粒如何通过肺泡壁被吸收以及如何通过器官进行分布。
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Ansys Advantage

2021年 / 第3期

“通过Ansys软件进行肺部建模可以帮助临床医生更好地理解和

将颗粒流可视化，因此无论患者的呼吸状况如何，他们都可以设计出”

更有效的设备和治疗方案，为肺部提供药物疗法。

临床医生可以研究数字孪生中的流固耦合（FSI），以了解这种特定患者特征如何影响个体的整体呼吸过

程，以及如何影响治疗药物输送到肺部。然后，他们可以相应地修改其治疗方案。

Feng表示：“为了改善所有患者的疗效，问题不在于‘我们如何才能制造出更好的适用于所有患者的通用
吸入器或呼吸机？’。而在于‘我们如何设计一种吸入器或呼吸机，并探索相关的最佳实践，使其能够对特定患者更有效？’动态、多物理场仿真是实现这一目标的非侵入性、成本最低的方法。”

虽然人体数字孪生的概念目前还没有得到广泛应用，但Feng的研究为更广泛的应用奠定了基础。他正在与俄克拉荷马大学健康科学中心的医生合作，对支持其数字孪生的仿真模型和算法进行完善，使其最终能够实现商业化并大规模推出。

为呼吸疗法注入新生命作为Ansys仿真软件长达13年的用户，Feng指出，如果没有在处理速度、参数研究和计算算法方面的显著进步，我们将无法实现今天的动态数字孪生，因为这些技术进步可以提供更快的求解时间。由于人体呼吸道在几
何结构上非常复杂，而基于颗粒的动态气流也同样复杂，因此Feng的工作需要解决极其庞大的数值问题。
Feng表示：“从开发用于数据管理
的Ansys Workbench，使我的团队能够
将机器学习算法应用于庞大的数据库，到云托管的出现，随着我的研究变得越
来越复杂，A nsys一直在为我的研究提供支持。A nsy s 为改进其软件所做的一

切，都直接对我的建模能力带来了积极影响，并增加了它们进入全球医疗市场的可能性。”

Yu Feng博士从早期作为一名工程力
学专业的本科生开始，就对人体呼吸系统
产生了浓厚的兴趣，到现在已经走过了漫
长的道路。如今，他正在引领创新诊断和治疗方法的开发，这些方法有可能对医疗行业带来变革，并帮助世界战胜COVID-19
疫情和其它空气传染病。

© 2021 ANSYS, INC.

Feng的工作将提高临床医生制定特定患者治疗方案的能力，此图为Feng对畸形喉结的建模。通过创建包含这种畸形结构的数字孪生模型，Feng揭示了在医疗环境中给药时，该结构将如何影响肺部吸收药物或氧气的能力

Ansys Advantage21聚焦 医 疗 行 业 / 高性 能 计 算

博洛尼亚大学（University of

Bologna）的研究人员曾计划对1,000

名骨质疏松症患者在10年内每年摔倒100

次的假设情况进行仿真，以量化与骨质疏松症相关的骨折风险。然而，他们计算得出，

在传统计算机上求解这些仿真可能需要200多

年的时间。但在可进行高性能计算（HPC）的

超级计算机上使用Ansys Mechanical，研究人员将总仿真时间缩短到两周以内。

利用仿真和高性能计算

降低骨质疏松症患者的骨折风险
作者：Marco Viceconti，意大利博洛尼亚市博洛尼亚大学工业工程教授

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Ansys Advantage

2021年 / 第3期

“由于Ansys Mechanical已针对HPC进行了优化，UNIBO的研究人员可以同时在数千个计算内核上运行仿真……原来可能需要

200年的时间，而如果能够连续运行仿真，那么现在仅需不到两周时间。”

制药公司在研发药物来帮助减少骨质疏松症引起的骨折发生数量时遇到了难题。骨质疏松症是一种使

数百万人（主要是老年妇女）骨骼衰弱的疾病，并非制药公司无法找到可能有助于减少骨折的药物方案，而是他们无法进行相关临床试验，以显示主要功效为减少骨折的药物的主要治疗终点指标。问题

涉及到多个方面：这项试验需要观察1,000多名骨质疏松症患者反复摔倒的情况，观察时间会持续5-10年，或者

直到他们实际发生骨折。即使不考虑在10年里观察老人一次次摔倒的道德层面问题，进行这样一项试验的成本
也会令人望而却步。

由于这些困难，制药公司并没有进行以减少骨折为重点的试验，而是专注于“替代终点”，例如以增加骨

密度的指标来显示药物功效。这类试验需要参与的人数可能要少得多，而且只需持续几个月。但是这种替代终
点有其自身的问题。增加骨密度本身并不能保证减少骨折。骨强度与骨骼解剖结构和骨矿物质分布有关，而骨强度是减少骨折的关键。然而，如果没有一项涉及数千名骨质疏松症患者在5-10年内反复摔倒、但没有发生骨折的临床试验，我们就不可能将骨强度的变化与骨折的减少联系起来。

但是，是否可以在无需使用真人和真骨骼进行实验的情况下显示这种相关性呢？这种相关性可以实时显示吗？

了解潜在的工程问题

在博洛尼亚大学（UNIBO），工业工程系的生物力学研究人员一直与意大利领先的骨科医院Rizzoli的医疗技术实验室密切合作，探索与骨质疏松症和摔倒相关的潜在生物物理学的复杂性。从根本上说，当一个人摔倒时，骨骼会受到物理力的作用。不同类型的摔倒会产生不同类型和不同方向的力。根据力的强度和骨骼的强
度，摔倒后是否导致骨折存在两种可能性。然而，随着时间的推移，骨质疏松症会改变骨骼的结构、密度和骨骼中骨矿物质的分布，从而降低骨强度并增加摔倒导致骨折的风险。

将计算机断层扫描成像数据传送到Ansys Mechanical中的有限元模型© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage23聚焦 医 疗 行 业 / 高 性 能 计 算

面向单个患者仿真的仿真流程
从这个角度来看，摔倒是否会在任何给定时间导致骨折的问题，从最纯粹的意义上讲，是一个工程问题，UNIBO的研究人员认为，采用正确的工具和正确的参数输入可以解决这个问题。

UNIBO的团队从100名患者身上获取了计算机断层扫描生成的股骨图像。他们使用主成分分析技术对这些图
像进行分析，以了解100根股骨的解剖变化及其频率，以及这些股骨之间骨矿物质密度变化的频率。其他内部开
发的工具使研究人员能够准确地看到，骨矿物质沉积物如何分布在每根股骨的解剖结构中。

利用Ansys Mechanical，研究人员通过这100根真实股骨的CT扫描创建了有限元（FE）模型。每个模型中的网格不仅映射了每根股骨的独特结构，而且还映射了每根股骨中骨矿物质的分布。然后，他们对这100个模型进行复制和重新采样，总共创建了1,000个FE模型。该组模型精准地反映了研究人员预计在1,000名骨质疏松症
患者中发现的解剖变化和骨矿物质密度变化的分布。

研究人员随后开发了一个摔倒的随机模型，其参数可以将患者的体重、可能吸收冲击的软组织数量、摔倒的方向和距离等因素考虑在内。UNIBO的研究人员打算使用Mechanical对这1,000个模型中的每个模型进行100
种不同的摔倒仿真，将骨强度与骨折风险联系起来。然后，他们打算修改这1,000个模型中每个模型的骨矿物质

成分，以反映骨质疏松症在一年内的退行性影响，然后重新运行所有仿真。最终，他们将所有这些仿真重新运行
10次，以有效反映1,000名患者随着骨质疏松症的加重，假设在10年内每年摔倒100次的观察结果。这些仿真将提供研究人员一直以来都想要获得的临床洞察，而无需任何一位老人实际遭受被观察摔倒发生和髋部骨折的羞辱和痛苦。

解决首要的时间问题

但是研究人员很快就遇到一个难题。如果采用UNIBO可用的计算资源，一次

大约需要1.8小时才能完成求解。求解100万次仿真（即1,000名虚拟患者在10年内

摔倒仿真
每年摔倒

100次）将需要180万个小时，相当于超过205年。
这是不切实际的，特别考虑到，这项计算机仿真临床试验的实际应用最终会涉及到使用相同的技术，对潜在的骨质疏松症药物的效果进行建模，观察它们是否能随着时间的推移减少骨折。
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Ansys Advantage

2021年 / 第3期

将潜在药物的效果与安慰剂组的进展进行比较

UNIBO的研究人员与Ansys合作，将Ansys Mechanical软件与荷兰SURF托管的超级计算机Cartesius和意大利CINECA托管的超级计算机Galileo结合使用。Cartesius配置高性能计算（HPC）系统，拥有超过1,900个中央处理器（CPU），每个CPU具有16-64个计算内核（总共超过47,000个内核）。每个CPU都配置了64-256 GB的内存。Galileo也配置HPC系统，拥有2,044个18核的CPU（总共有近36,800个内核），并且每个CPU都配置

了128 GB的内存。Cartesius和Galileo都可以访问PB级的存储容量和超高性能互连，确保以高效、高度并行化的方式使用系统资源。

由于Ansys Mechanical已针对HPC进行了优化，UNIBO的研究人员可以同时在数千个计算内核上运行仿真，这将大幅加快一百万次仿真的完成速度。如果能在Cartesius和Galileo上连续运行仿真，原来可能需要200年的时间，而现在仅需不到两周时间。
迈向计算机仿真试验之路

UNIBO的研究人员正在为真正的计算机仿真临床试验创造机会，其治疗终点目标是减少骨质疏松症患者的骨折。在获得监管部门的批准（这也是一个需要克服许多障碍才能实现的目标）后，初步研究结果将为临床试验中被视为安慰剂组的部分奠定基础。研究人员使用Mechanical和HPC系统建模的结果，再现了1,000名患者群体在过
去10年内随着骨质疏松症逐步加重时的骨折风险。针对这一点，临床研究人员可以分析新的FE模型来仿真一种研究性骨质疏松症药物在10年内的效果，以观察该药物与安慰剂组相比，是否会增加骨强度并降低骨折风险。

UNIBO的研究人员还有更多的工作要做。他们需要学习如何在他们的FE模型中对潜在骨质疏松症药物的效果进行建模，包括学习如何获取显示研究性药物对动物群体的影响的数据，并适当地扩展数据以对药物在人类群体中的影响进行建模，这项任务本身就极具挑战性。然后，他们必须在1,000名虚拟参与者群体中仿真这些潜在药物的效果（对10年中每年摔倒100次进行仿真）。最终，这意味着要求解另外100万次仿真⸺如果研究性药物每年都在发挥着治疗作用，那么骨骼会变得更强壮吗？骨折的风险是否会因长期用药而降低？

所有这些问题都尚未得到解决，但至少UNIBO的研究人员知道，通过在高度并行化的HPC系统上运行Ansys

Mechanical，他们最终应该能够在几周内，而不是几个世纪内解决其中的许多问题。

© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage25聚焦 医 疗 行 业 / 增材 制 造

定制外科植入物，仿真助力修复患者骨缺损
作者：《Ansys Advantage》杂志编辑

因事故或疾病导致的骨骼结构受损时，尽快修复患者受损骨骼至关重要。通常，外科医生只能从
现成不同尺寸的钛金属或塑料植入物中选择植入体，但可能这些植入物尺寸对于患者来说并不
理想。而例如下颌（下巴）这样的机械关节贴合度，甚至可以决定植入产品的性能和患者的

生活质量。

如

今，佛罗里达州代托纳比奇市的一家名为Techfit Digital Surgery的公司已研发出一
种针对患者专用的3D打印医疗设备方法，该方法采用计算机断层扫描（CT）与磁共振成像（MRI）扫描技术，以确定每个植入物的最佳几何形状。他们使用Ansys
Discovery 3D设计软件快速研发植入物的最佳设计，然后着手生产植入物，主要采用金属或塑料增材制造，能够在10个工作日内交付，用于外科手术。
Techfit创始人兼首席执行官Mauricio Toro表示：“我们借助Discovery了解到，我们的数字模型在生理学和物理学层面的行为
与患者一致。这使我们能够非常快速地进行迭代，改善手术产品和手术
效果。”

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Ansys Advantage

利用新技术可以实现定制手术
2021年 / 第3期

“ Ansys Discovery的GPU求解器能在几个小时内完成设计，无需花费数天或数周。患者正等着植入物，所以我们的

”

时间紧迫。

3D打印医疗设备的3步流程
1. 采集数据手术植入过程的第一步是采集数据，包括获取手术相关身体区域的CT和MRI扫描。这些扫描为设计提供初始几

何结构。但是每位工程师深知，要充分发挥几何结构的作用，就必须对其进行清理和修改。

Toro面临的第一个重大挑战是寻找一款合适的软件。该软件不仅可以输入从扫描创建的STL文件，还可以帮助编辑几何结构。最终他们选择了Ansys SpaceClaim，并获得了良好的效果。随后不久，又开始使用Ansys Discovery。
Toro表示：“Ansys Discovery可以说是一款完美契合我们需求的软件，因为它不仅能处理STL文件（并非每一款CAD软件都能做到），而且还能对几何结构进行网格划分和实现近乎实时的修改。Discovery的GPU求解器能在几个小时内完成设计，无需花费数天或数周。患者正等着植入物，所以我们的时间紧迫。”
2. 共创与验证流程的第二步，是从与医生沟通开始。Toro和他的团队与外科医生会面，了解医生对特定患者的需求。这

个环节中他们会用到Discovery这款软件，向外科医生展示基于扫描的初步设计，并在此基础上做出修改。
Toro表示：“与外科医生会面时我会使用Discovery来调整模型，尤其在我对骨骼或植入物的机械
行为不确定的情况下。”他解释说，任何一项植入物设计都需要在可用空间和植入物的机械属性间取得折衷方法。在众多非生物应用中，可以直接添加更多材料来提升安全系数。但是对于人体植入物而
言，封装要求非常严格。

他说：“因此，能够与外科医生共同开展现场仿真，并在一个非常快速的反馈回应中与其进行交互，从而了解介于结构性能与产品外观间的理想平衡点，这是实现最佳结果的关键。”Toro认为这种快速的仿真结果反馈极其重要。
他表示：“常言道‘熟能生巧’，但如果没有获得良好的反馈，不仅在实际操作中会

出错，而且还会一错再错。因此我们宁愿说‘迭代生巧’。”

仿真有助于在事故或头部创伤后进行颅骨重构手术© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage27聚焦 医 疗 行 业 / 增 材 制 造

3. 制造

目前，Techfit在Daytona Beach公司总部生产全部的植入物。他们不仅拥有
常规制造所需的全部标准机床，还具备生产形状较为罕见的植入物的增材制造能力。钛合金是金属植入物最常使用的材料。对于塑料植入物，承重应用领域会采用聚醚醚酮（PEEK），对关节替换等重视摩擦和磨损的摩擦表面应用，则用超高

Techfit利用仿真生产
定制植入物

分子量聚乙烯。每个植入物都附带一份机械验证分析报告，因此外科医生可对手术效果树立最大的信心。

正如Toro所展望的那样，在未来，Techfit将打造一个全球增材制造网络，构建这个网络的主要动因是加快植入物的交付速度。Toro解释道：“设想一下，

如果要在美国为远在沙特的患者生产植入物，光运输就需要2天，清关还得需要2天。假设从CT扫描到正式开始手术的时间是10天，这意味着我们已经耗费了4天，或者说我们的实际设计时间被缩减到了6天。而通过发送STL文件，就能在世界各地的机器

上打印成品，因此这至关重要。”
为世界各地的患者带来福音现在，Techfit已为数千名患者提供了定制专属

的植入物。

Toro说：“在我们的帮助下，一些不可思议的手术圆满完成。”其中包括：半下颌骨切除手术（患者因肿瘤

或事故失去半个颌骨）、胸骨置换手术（用钛板将塑料植入物固定在肋骨上）、以及最为常见的颅骨重构手术（众多案例中患者的损伤因摩托车事故、肿瘤或头部创伤造成）。

Techfit还在医学期刊上发表学术论文，在会议上展示研究
成果，甚至每年举办自己的数字手术大会。
Toro表示：“定制手术实际上是一个全新领域，不仅包括如何
制作植入物，还涉及如何倡导和确保可以采用这类技术。让世界各地

的每一位患者都享有定制治疗服务，并使之成为新标准。这是我们所追

在与外科医生会面后，我们就可以对
仿真模型进行调整

求的目标。”

实现这一目标的过程中，Ansys仿真将继续发挥重要作用。
Toro表示：“在我们的工作流程中，Ansys Discovery实现了更高效地进行产品验证，从而帮助患者更快地接受

手术、更快恢复。最令人欣慰的事情，莫过于看到患者的生活真正实现逐步改善。”

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Ansys Advantage

2021年 / 第3期

聚焦 医 疗 行 业 / 结构 仿 真

在Ansys Discovery中开展AdvenChair车架的结构分析

AdvenChair配备了各种调节机制，
以适应不同身形和体重的乘坐者Isaac Shannon借助AdvenChair踏上户外小径

AdvenChair⸺通过越野轮椅设计实现肆意探险

G

eoff Babb是一位户外探险家。多年来，他喜欢和朋友们一起骑山地车、滑雪、在崎岖的地形中徒步旅行。尽管他在2005年经历了一次中风，但这并不能阻挡他对户外探险的热情，甚至是12年后，当他第二次中风时，他的热情依旧不减。那时，他已
经是Onward Project的创始人，该公司是AdvenChair的制造商，致力于激励和帮

助那些行动不便的人们去野外旅行。这家公司的口号是：Roll Boldly（肆意探险）。
您可以在YouTube上的一段视频中看到，Geoff就是这样做的：他坐在AdvenChair的样车上，而他的朋友们，有的在前面用绳子拉，有的在后面用把手推，他们一起在树林中、在海滩上、在雪地里快乐地旅行。

Babb说道：“时常会有人问我们是否考虑推出电力助动版本，但坦白说，我们在这个阶段并没有真正考虑这个问题，主要是因为我们认为
AdvenChair的重要宗旨就在于团队合作凝聚的集体力量，它可以称得上
是一种团体运动。”© 2021 ANSYS, INC.

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ISSUE 3 | 2021
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“ 我很快就发现，在Explore
模式下的Discovery中进行设计调整要容易得多，并且

2006年，当Geoff萌生了坐轮椅徒步旅行的想法时，他很快就发现标准轮椅是为建筑物内的地板和室外铺装路面

场景设计的，根本无法应对更崎岖路面的挑战。

几乎可以立即得到解决Geoff说道：“我想设计出一种轮椅，这不仅可以方便我自方案，以确保正朝着”

越野轮椅的设计之路己，而且还能让许多想在户外活动的人受益。我们早期对标准轮椅进行了改造，但并不成功。”这种轮椅上的应力和应变会变得非常正确的方向前进。

大，而且乘坐者会经历非常剧烈的颠簸。

于是Geoff从他的山地自行车骑行经验中汲取灵感，并开始构思，这也就成为了后来的AdvenChair：它会是一种三轮车式的轮椅⸺后面的两个大轮子可用于保证强度和稳定性，前面的一个小轮子则用于保持平衡

和机动性；它将采用适合复杂地形的山地自行车的材料和组件，包括悬架、盘式制动器以及轻质但坚固的车架。

2017年，在产品开发、钣金和机械方面具有丰富经验的资深工程师Jack

Arnold加入了Geoff的团队。他们一致认为，是时候废弃早期设计，从头开始构

建新产品了。

新轮椅的工程设计

Jack为团队贡献了工程师所拥有的仿真知识。在第一次设计审核会议之前，他使用了工程软件包来仿真原型设计的应力和应变，该原型设计可承受一位体重250磅的乘坐者，

安全系数为3，其总载荷为750磅。Jack知道他们可能最终不会制作出这款轮椅，但他想让大

家集思广益，并让团队知道这将是一个迭

代的过程。

Jack说道：“我想带着一种‘安心舒

适’的感觉参加会议，即从一开始就知道这个结构是合理的。我们确实需要在前期就使用仿真，这样就知道自己的第一个原型是否至少接近正确答

案了。”

经过了一系列幸运的事件后，我们知道了Ansys仿真技术。2018年，当地电台的一名记者做了一期关于

工程师使用Ansys Discovery对座椅处于
不同位置的轮椅设计进行仿真

Geoff和AdvenChair团队的报道。Geoff称：“那期报道播

出以后，有许多人联系上我们，希望能为我们提供服务，Ansys就是其中之一。接下来，我了解到Ansys提出要SSUE 3 | 2021

帮助我们开展设计分析。我询问了Jack的意见，他当即给出了肯定的答案。”

很快，Jack开始使用通过Ansys初创公司计划获得的Ansys Discovery，来验证其使用其它软件包完成的车架仿真。他在不同位置和不同载荷的条件下对座椅运行了几次不同的仿真，以了解这些变化对车架的影响。

Jack表示：“我很快就发现，在Explore模式下的Discovery中进行设计调整要容易得多，并且几乎可以立即得到解决方案，以确保我们正朝着正确的方向前进。我很满意的一点是，这个软件能够出色地使用显卡上的板载内
存，从而实现了近乎实时的更新。”

但他最喜欢的还是Discovery的创成式设计功能。Jack说道：“看着它进行迭代，去除无应力区域的材料，然后提出关于最终形状的建议⸺这真的很酷。当前的AdvenChair的重量超出了我们的预计设计目标，所以我们将使用创成式设计来去除多余的材料。这将减轻产品重量，并有助于节省材料和成本。”
30

Ansys Advantage

2021年 / 第3期

聚焦 医 疗 行 业 / 结 构 仿 真“ 确实需要在前期

就使用仿真，这样就
知道自己的第一个

原型至少接近正确

”

答案了。

大峡谷中的AdvenChair 1.0早期原型
图片来源：Pat Addabbo
走向市场

在这个过程中，团队想出了一种创意，Geoff将其称之为“瑞士军刀”⸺团队增加了AdvenChair的可调节性和可扩展性，使它适用于人们日常生活的各种用途。这个创意的一个重要特点是，让轮椅前轮可拆
卸，因此AdvenChair可被用作标准轮椅：进入建筑物、收纳在桌子下面，并允许进出车辆内部。

在过去两年中，Jack和设计团队所做的大部分工作都是研究组件的可调节性。他们希望乘坐者能够调整座椅的前后位置和倾斜角度，并将脚踏板设置在最舒适的位置。在Discovery中移动这些组件，并查看它们如何改变轮椅上的载荷及其性能十分方便。

Jack指出：“借助Discovery，我们设计了一款适合小孩到成人等不同人群的可扩展轮椅。它包括三种不同的座椅尺寸，可根据需要进行更换。我们的想法是，当父母给孩子购买
AdvenChair时，如有需要，这个轮椅可以陪伴孩子一生。”

从更远大的目标来看，Geoff认为AdvenChair可帮助各个年龄段的目标人群，能够重新感受到户外的美好。

他说道：“我们希望向退伍军人提供帮助，通过团队合作让他们的战友们一同踏上户

外小径。还有脑瘫儿童、无法自如徒步的老人，以及想再次游览他们最喜欢的湖泊的帕金
森患者。”Geoff谈到了他曾经接到这样一通电话，一位男士说他的女儿住在临终关怀
医院里，想最后再去一次家庭农场中她最喜欢的地方。他把一台AdvenChair借给了这对父女，因此在女儿去世前的一周，她终于如愿以偿。

通过种种不同的方式，AdvenChair团队已经帮助那些热爱户外运动的人们

实现了在有生之年踏上旅途的梦想，不管生活给这些人们带来了怎样的挑战。
该团队已在2月15日前接受了AdvenChair的首批生产订单，并且前10台产品
已在2021年第二季度完成供货。与此同时，他们继续使用Ansys

Discovery

来减轻AdvenChair的整体重量，特别是座椅的重量，并且他们正在开发
一种更轻便、更低成本的城市版轮椅，以惠及那些在城市中行动不便的人群。

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Ansys Advantage3131聚焦 医 疗 行 业 / 热学 电 磁 学

以更佳方式生成和提供

X射线

作者：《Ansys Advantage》杂志编辑作为Ansys初创公司计划的成员，Lumitron Technologies公司正在使用Ansys HFSS和Ansys
Fluent研究一种全新的X射线技术，该技术将加速器与激光器相结合，以创建能量更高、分辨率更高并能够同时用于成像和治疗的X射线束。使用较小的射线源尺寸可将X射线调整到狭窄的能量范
围内，从而为成像提供更高的对比度和分辨率，同时为放射外科提供新颖的治疗方法。

2018年，当Chris Barty在加利福尼亚州欧文市
创立公司之初，他们使用了Ansys HFSS，因为

大部分创始员工都熟悉该产品。Lumitron的加其博士研究项目的一部分。

速器物理学家Yoonwoo Hwang表示：“当时，在了

制造X射线的方法

拒绝，这个协议以较低的价格提供一个软件包，包括

准金属靶。电子在穿透金属时会减慢速度，并在此过

解到Ansys初创公司计划提供的协议后我们对此无法

了热仿真和电磁场仿真的功能。”Hwang在加州大学

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欧文分校时就开始研究这种全新的X射线技术，以作为Ansys Advantage

在医院里创建X射线的标准方法是，将电子束瞄程中发射X射线。这会产生一种宽带辐射，其中大部分

2021年 / 第3期

会被过滤掉。而一些没50MeV（兆电子伏人体组织吸收，这些射

GeV级别。而且，有被过滤掉的波长会被线对成像没有帮助，人特），而无需达到

Lumitron HyperVIEW X射线系统体还可能会因此吸收过
量的辐射。

对于结晶学等科学应用，同步加速器需将电子加

速至很高的速度，以产生X射线。如果这种辐射穿过

50MeV的电子加速器
实际上非常小，只有几米长。”

为什么X射线设计需要仿真技术精确的射频设计和温度控制是保持加速器共振

周期性的磁场，电子束就会波动或摆动，产生更高能

的关键所在。Lumitron使用包含电磁场的铜质微波

成的巨型装置。

电子只能在腔体的加速部分移动。”但这需要非常精确

量的X射线。但是同步加速器是由几千米长的圆环组
因此，为了将该系统缩小到更易于临床应用进行腔。Hwang表示：“您可以对电磁场进行设置，以便
的设计，才能将腔体调整为最佳运行状态。

在使用Ansys HFSS生成合适的电磁场后, Lumitron工程师会查看结构的变形位置和变形程度，并使用Ansys Fluent对必要的冷却方式进行仿真。

操作的尺寸，近年来，研究人员一直在进行用激光器
代替周期性磁场波动器的实验。激光束是一种振荡电场，其波长比同步加速器装置中磁波动器的波长要短得多。如果将激光与电子束碰撞，电子就会摆动。在这种情况下，它们会以更紧凑的尺寸在数米范围内发
射出更高能量的X射线，以适合医院使用。

Hwang解释了其中的物理学原理：为了制造
用于射线照相术的电子束，我们需要能量范围介于
10kV到100kV之间的X射线。如果使用同步加速器
方法，您必须将电子加速至千兆电子伏特（GeV）

级别，这将需要数百米长的加速器环。Hwang表
示：“但是如果使用我们研发的激光碰撞方法，产
生相同的X射线能量（10kV–100kV），只需大约© 2021 ANSYS, INC.

由于电磁场的作用，腔体会发热，这会使铜产生变形。Lumitron使用HFSS仿真射频结构，并使用
Fluent仿真各种条件下预计会发生的热变形。如果腔
体的温度稍有偏差，即使只有0.5度，射频源也会与腔
体不匹配。这将导致所有的功率被反射，并损坏电源。

在电磁场引起的加热和应用的任何人工冷却方

案之间，需要进行谨慎平衡，因为过度的冷却也会
导致腔体变形。因此，在使用HFSS生成合适的电磁场后，Lumitron工程师会查看结构的变形位置和变形程度，并使用Fluent对必要的冷却方式进行仿真。加速器设计的最新改进使运行参数提高了1,000

倍。Hwang表示：“我们必须重新设计整个冷却结构，为了做到这一点，我们必须仔细仿真新的冷却歧管

Ansys Advantage33聚焦 医 疗 行 业 / 热 学 电 磁 学“ 使用一台仪器就能实现上述所有目标，在增强对比度的同时显著

减少患者吸收的X射线辐射量，这一点是前所未有的。Ansys初创公司”计划在帮助实现这项研究的过程中，发挥了重要作用。
和其它装置的影响。”
Lumitron X射线设计对健康的益处
与现有的X射线机相比，Lumitron设计的改进之

处体现在以下几个方面：

单一能量束。与现代临床机器发出的宽带X射线辐射不同，Lumitron的设计可以精确地将输出调整为单

一波长的X射线。Hwang表示：“如果只想要50kV

的X射线，您就能够只得到50kV的X射线，而成像系

统将被调整为最高效的能量状态。这将使众多全新的成像技术得以实现。”

更小的聚焦点，更高分辨率。Lumitron能够将电子
束和激光束聚焦在一个非常小（10微米或更小）的点上。这基本上就是X射线源的尺寸，其决定了您能在
图像中分辨出多小尺寸的物体。

尺寸如建筑物大小的同步加速器的一小部分
射该区域，它们会在局部释放大量辐射。Hwang解释道：“这会使成千上万个离开原子的电子产生级联反应。但是这些电子的能量极低，通常是1kV或更低，所以它们实际上无法移动到太远的距离⸺最多
几纳米。因此，如果金属微粒位于癌细胞的中心，
这种级联反应将只杀死附近的癌细胞，而不会损害
其余的健康组织。”

成像和治疗相结合。在几分钟内即可将加速器调至更通过仿真改善医疗对肿瘤进行成像，然后提高X射线的能量并瞄准该部

结合铺平了道路，且该公司的技术一直被视为医学的新高的能量。因此，您可以使用一台仪器以较低的能量位，从而开始杀死肿瘤细胞。

改进的Lumitron X射线设计为医疗诊断和治疗的

前沿。

Hwang表示：“我们将全部精力都投入到成像、更有针对性、更有效的治疗区域。使用金属基造影剂

诊断和治疗上，实现使用一台仪器就能实现上述所有目

属微粒还具有另一优势：如果您使用能量刚好高于金辐射量，这一点是前所未有的。而Ansys初创公司计划（例如钆）有助于更清晰地定位肿瘤。此外，这些金

属K边（K-edge，X射线吸收突然增加）的X射线照

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Ansys Advantage

标，正在增强对比度的同时显著减少患者吸收的X射线在帮助实现这项研究的过程中，发挥了重要作用。”

2021年 / 第3期

制冷 / 流 体 动 力 学

流体动力学仿真
推进家电设计
作者：Manilka Abeysuriya，

在新西兰奥克兰Fisher & Paykel Appliances高级产品开发工程师竞争激烈的家电设计领域，尤其是在制冷、烹饪、洗衣、洗碗和抽油烟机领
域，想要突破性能极限，就必须深入了解这些产品的工作原理。更严格的环
境法规加上日益复杂的用户体验要求，推动家电设计进入了一个精细物理开始发挥更突出作用的领域，这就可能带来漫长且成本高昂的开发和测试过程。

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Ansys Advantage

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“ 仿真也广泛应用于整个开发流程，尤其是当相关系统的设计日趋成熟、各种设计变更突然出现时。
”

例如，冷藏室内的湿度管

冰箱型号的设计。在最初的讨论理，这是冷凝、传热和气流对开中，该公司意识到由于源头的混

发性能更高的产品至关重要的一个领域。

总部位于新西兰的电器设计公司

Fisher & Paykel使用Ansys软件在产乱旋涡气流，采用多个挡板的方
法是行不通的，而解决方案是，构建一个区域，使气流在释放到制

优化设计品开发早期阶段进行仿真，以识别和纠正潜在问题，

到充分缓冲。

Fluent和计算流体动力学（CFD）改进其制冷产品的

提高制冰性能并优化设计以满足各种性能标准。他们在使用Ansys
制冰性能方面取得了重大成功。

仿真也广泛应用于整个开发流程，尤其是当相关系统的设计日趋成熟、各种设计变更突然出现时。这
些分析往往是评估多个解决方案，以作为优先考虑那些最具潜力的解决方案的重要依据。由于其中一些解
决方案之间的细微差别和实验不确定性，CFD已成为冰机之前以可控的方式在该区域中得

由于空气需要在较短长度内在两个正交的横向方向上产生剧烈的方向变化，因此Fisher & Paykel的工
程师使用端到端、简单的扫掠轮廓和相对复杂的流动
路径创建了初始设计。

解决方案是使用单个挡板重新设计管道轮廓，以其最可靠的评估手段。
了解制冰挑战

Fisher & Paykel的目标是开发一种性能更高的制
冰机，需要增加冰盘上方的气流来提高制冰速度。这
意味着他们需要开发一个能够在冰盘上方引导均匀气流的空气输送系统。

这绝非易事，因为该公司不得不将一些进入冷冻

室的空气重新导向制冰机中。当前面临的挑战是：如何处理气流方向的急剧变化，并开发适用于各种不同
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Ansys Advantage

空气重新导向可提高制冰性能
2021年 / 第3期

制冷 / 流 体 动 力 学“ 当需要寻找有机形状以实现给定的性能标准时，
Fluent伴随求解器的形状变形能力是一种卓越的方法。
”

更好地独立控制空气在

具成本效益和时间效散。与初始设计相比，

每次迭代需要三天时两个正交平面上的扩益，因为3D打印设计

该设计使压力损耗减少间，该公司只需一天

了67%。受地表水绕过

障碍物的旋涡运动所启发，并在Fluent伴随求
解器的帮助下，该公司时间即可完成CFD仿仿真结果显示，与初始设计（左）相比，最终设计（右）改善了制冰机托盘上方的气流速度分布优化了设计，使产生的气流的主要方向与冰盘一致。这使得气流的平均速度增加了50%以上，并且
在制冰机托盘上方产生了更加对称的流动轮廓，有助真。此外，当寻找有
机形状以实现给定的性能标准时，与手动创建离散设计迭代相比，Fluent伴随求解器的形状变形能力是一种卓越的方法。

CFD仿真还呈现了关于流场的广泛描述，这增强于显著提高制冰性能。

了工程师对流动行为的理解。与物理测试相比，在虚拟

如何设计流场

Paykel改进产品设计。除了研究气流行为之外，同

模型中能够更好地控制测试环境，这也有助于Fisher &进入管道的气流被向下吸入至一个圆柱形腔室

样重要的是将空气动力学引起的噪声保持在最低水平，称轴的旋涡运动。这样可使主气流横向平移，同时最

声学仿真，以确保在评估最终设计的CFD分析和物理中，从而形成以管道入口处的主气流的横向方向为对
大限度地减少损耗。然后，气流通过一段短而直的管道在制冰机后面释放。在这里，管道出口上游的凸起/

以便生产出静音冰箱。为此，该公司利用Fluent空气测试中满足噪声水平要求。

圆柱形特征有助于促进横向旋涡运动，这是试图在冰盘上方产生单向气流的关键。

在整个流程中，该公司广泛使用了Fluent CFD仿真。与生产和测试3D打印设计相比，使用仿真更© 2021 ANSYS, INC.

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成功之道

电气 化 / 拓 扑 优 化与 流 体 分 析

作者：《Ansys Advantage》杂志编辑IIT Bombay Racing的E-12电动汽车在2020年
Formula Student工程设计竞赛中获胜

世界各地高校的学生赛车比赛由来已久。在这段历程中，随着专业赛车队将基于物理的仿真软件集

成到工作流程中，学生车队也在比赛中采用了同样的工具。Ansys仿真软件在帮助学生车队将设计概念从创意转化为最终产品方面发挥了不可或缺的作用，这些受益的学生车队中包括
了许多最近的获奖者。

第一批汽车出现在19世纪80年代，爱好者很快就开始将其改装为赛车。公开赛很快成为一项受认可的职业运动。这些汽车源于车队多年的工程设计，他们试图在遵守设计规则和将费用控制在预算内的同时，从机器中获取马力和下压力。

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Ansys Advantage

Team Bath Racing 2021年参赛作品CAD
模型突出展示了更新的空气动力学套件

2021年 / 第3期

学生竞赛史对于许多优秀工程师来说，一个能够很好地开启汽车行业职业道路的途径是，参加面向大学生的主要国际公开赛。在北美，Formula SAE竞赛始于1981年，由国际自动机工程师学会（SAE International，其前身是美

国汽车工程师学会）组织。SAE如今在全球范围内举办
了多场Formula SAE赛事，其主要展示地点在底特律附近的密歇根国际赛道。学生团队会在每年的竞赛中设计
和制造一辆新车。每年，各团队会在三个静态项目和五个动态项目中进行对决，其中，三个静态项目包括成本

的赞助，包括巴斯大学和印度理工学院孟买分校，CAE工具现在广泛用于其团队设计流程。
巴斯大学⸺Team BathRacing在内燃机组别比赛

中，来自巴斯大学的Team Bath Racing
自2000年以来一直参加

使用Ansys Fluent对Team Bath Racing
的2021款赛车上方
的气流进行仿真

Formula Student竞赛，并在许多分析、营销报告和工程设计，五个动态项目包括8字绕比赛中被评选为英国顶级车队。由于每年都要从零开始

Formula Student竞赛于1998年出现，其规则与Formula

所限制。其需求是，无论部件或模型的尺寸如何，仿真环直线加速、高速避障、耐力比赛和效率测试。英国的
SAE非常相似，在英格兰中部的银石赛道举办其主要赛事。
学生团队于20世纪90年代开始使用Ansys仿真软开发一辆全新的赛车，车队在可用时间和资金方面均有软件都必须易于使用，并且能够生成准确的结果。

借助Ansys Mechanical和Ansys Fluent这两款

件，早期采用者首先使用Ansys结构分析软件对车辆底盘软件，巴斯大学的学生能够利用广泛的仿真功能，高开始，Ansys开始正式赞助学生团队，免费提供结构、流过减少对原型设计和风洞测试的需求来降低成本。

不同单元的应力、刚度和振动模式进行建模。从2012年

体电磁和高性能计算工具套件。此外，这些团队还可以免费获得软件培训课程以及Ansys学习论坛的技术支持。
在世界各地参加Formula SAE和Formula Student赛

事的数百个高校团队中，有150多个团队受益于Ansys效地开发和测试设计理念并确保结果可靠性，同时通Mechanical分析可确保车辆组件符合Formula
Student规则，并能承受各种应力和竞赛条件。Fluent仿真可帮助该车队在空气动力学套件方面实现逐年改进。最近，通过研发新的底盘小翼证明了这一点，该小在较高（左）和较低（右）倾角下查看通过散热器的气流。多孔介质建模用于计算通过散热器芯的流速和不同
倾角下的阻力© 2021 ANSYS, INC.

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39电气 化 / 拓 扑 优 化 与 流 体 分 析

印度理工学院孟买分校的小翼安装结构在Ansys Workbench中的初始设计（左），以及拓扑优化的结果（中），最终设计（右）的重量减轻了40%

翼将气流重新导向地面，使后翼和侧翼的下压力增加了
11%，并帮助巴斯车队在2020年Formula Student竞赛
的整体静态项目中获胜。
印度理工学院⸺IIT Bombay Racing

在印度理工学院（IIT）孟买分校，学生团队自

2007年以来一直积极参加Formula SAE和Formula
Student赛事。在2020年Formula Student竞赛中，该车队参加了电动汽车组的竞赛，他们同时使用
Mechanical和Fluent来帮助优化不同的设计领域。
在结构方面，尾翼相对于底盘的位置，使开发轻量化尾翼安装结构成为了一项挑战。印度理工学院孟买分
校车队利用Ansys Mechanical对首个设计迭代进行静态结构仿真，以可视化尾翼安装结构上的应力轮廓。下一步是拓扑优化分析，学生定义了目标排除区域和减重目标。在根据优化研究做出几何结构变更后，最终设计

的重量比初始设计的重量减轻了40%，同时仍然满足所
需的安全系数。

在流体动力学分析方面，该车队发现Fluent在设计汽车电池冷却系统的过程中起到了不可或缺的作用。学生希望找到散热器的最佳倾角，以平衡通过散热器芯的气流和由此产生的车辆阻力。另一个挑战是蓄电池内的气流不均匀，导致局部热点的产生。印度理工学院孟买分校车队能够评估不同倾角下的流速和阻力。他们利用

Fluent的多孔介质仿真功能，对散热器和通过散热器的
流速进行了精确建模。通过其最终设计，该车队将散热

器的整体尺寸和重量均减少了约25%，并将电池温度降
低了15%。结合结构分析的结果，这些设计改进帮助IIT

Bombay Racing赢得了2020年Formula Student的工程设计项目，并在电动汽车比赛中名列第四。
英国Formula Student冠军来自Team Bath Racing的Formula Student
2018款赛车

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Ansys Advantage

IIT Bombay Racing首席机械官Saksham Garg
表示：“我们目前正在制造并测试最新的E-12赛车，该设计使我们赢得了FSUK 2021总冠军、FSUK 2021和

2021年 / 第3期

FSUK 2020的工程设计竞赛以及2021年FSEV概念挑
战赛。”Garg认为，Ansys提供了一系列综合全面的工程仿
真工具，在这些胜利中发挥了关键作用。
Garg指出：“通过使用Ansys软件，我们的车队能够将尾翼安装结构的重量减轻40%，将散热器的重量减
轻24%以上，将电池温度降低15%。这帮助我们车队在Formula Student竞赛中改进整体赛车性能。使用
Ansys软件不仅在整体上帮助了车队，而且还提高了我
们的专业技术水平和实践经验，有助于许多毕业生为将
来在行业和学术界的职业发展做好准备。”
展望未来

在2020年赛事中，管理机构将以虚拟方式进行竞赛，以适应COVID-19疫情带来的全球出行限制。2021

印度理工学院孟买分校车队使用气流的速度矢量来确定蓄电池冷却系统中的问题年，Formula SAE和Formula Student的动态赛事于
7月重返赛道。由于线下举办的条件限制而将竞赛模式
调整为虚拟形式，这进一步突显了在物理测试有限或无法进行物理测试的情况下，仿真软件对设计流程的重要性。通过这些竞赛，印度理工学院孟买分校和巴斯大学的学生，以及Ansys赞助的车队进入了专业工程和设计领域，并获得了备受汽车行业青睐的宝贵项目经验。

“通过使用Ansys软件，我们车队能够将后翼安装结构的重量减轻40%，

将散热器的重量减轻24%以上，将电池温度降低15%。这帮助

”我们车队在Formula Student竞赛中改进整体赛车性能。

©220212021 ANSYS,
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设计世界上速度
最快的自行车

自行 车 运 动 / 空 气动 力 学

在

作者：《Ansys Advantage》杂志编辑竞争异常激烈的职业自行车赛中，短短数秒的极小差距，就能决定选手是夺冠还是无缘奖牌。在个人计时赛中，能否率先冲过终点线，归根结底就是能否比其他几百名选手快几分之一秒。
难怪公路自行车队都在寻找一切可行的方法，尽量将其成绩提前几毫秒。

对于法国Equipe Cycliste Groupama-FDJ车队来说，他们超越竞争对手的一部分计划需要依赖空气动力学仿真实现。

在运动生理学家、体能教练Fred Grappe博士的带领下，Groupama-FDJ于2019年开始设计Aerostorm DRS，

他们深信Aerostorm DRS将是有史以来最快的赛车，这将在未来得到验证。Fred Grappe博士是自行车运动空气动力学专家，也是《通过科学手段提高训练水平和体能的重要研究》的作者。他们与合作伙伴Lapierre Bikes以及
埃因霍温大学风洞科学主任、埃因霍温理工大学及鲁汶大学的Bert Blocken教授展开合作，其工作包括使用Ansys

Fluent进行流场分析，以了解自行车轻质碳车架管外部的空气动力学性能表现。仿真帮助设计人员优化了车架结构，可减少空气阻力。即便是训练成绩最好的运动员，过大的空气阻力也会让其与奖牌无缘。骑手只有对抗低速运动
的气流，速度才会更快。
阻力越小，速度越快

自行车上有百分之八十的阻力来

自人体。改变运动员的体型是不可能的，因此我们最多只能优化其姿态。但我们可以通过修改自行车的形状来减少整体阻力。用较小的外形提升，减小整体阻力。

对于在公园里随意骑自行车的人来说，阻力可能没有Stephen Kung，图片来源：体育新闻（Presse Sports）
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2021年 / 第3期

太大的意义，但骑得越快，阻力影响就越大。在世界级自行车速度下，克服阻力需

要巨大的耐力和体力。一般认为，当一名骑手以每小时48公里（29.8英里，比环

法自行车赛的一般速度慢）的速度骑行，其仅仅克服空气动力学阻力就将消耗90%的体力。

虽然自行车产生的阻力比骑手身体产生的阻力小，但即使是这方面的阻力减少很小一

部分，也会对运动员在整个赛道上所消耗的能量产生重大影响。提高空气动力学表现，骑手

就可在整个比赛中保存体力，以便在关键时刻产生更大的爆发力。

对于Groupama-FDJ和Lapierre来说，使用Fluent量化源于Aerostorm DRS车架每个组件的阻力，他们不仅可修改自行车组件的几何结构，而且还可优化某些车架管的形状。与之前

的自行车相比，这些改进使阻力减少了近7%。
优化车架管设计，减少阻力车架管是构成赛车车架的组件，普遍截面形状是圆柱体的。看似很普通的外形，但在考虑到圆柱体周围的复杂气流之后，人们就不会那么想了⸺这些气流不仅不稳定，还有些不合常理，并可能流向自行车或运动员身上某些意想不到的部位。此外，自行车车架与其他部件、骑手彼此之间会产生负面影响，这个问题在

斜下管上特别明显，因此研究空气动力学现象具有更大的挑战性。要完全捕获这些复杂的流动现象，网格的质量至关重要，要知道靠近车架管的单元厚度远远低于1毫米。此外，高精度CFD仿真利用了3D雷诺平均纳维-斯托克

斯（RANS）方程和过渡k-ω SST模型，这些计算机模型已经通过大量风洞测试验证。

“在组件优化和整体减阻之间找到最佳折衷方案至关重要，而利用仿真
技术才能低成本地快速完成这项工作。”

利用Fluent仿真每种车架管形式，Aerostorm DRS设计团队就能够完全克服这些阻碍。在每小时大约32公里

至99公里（20英里至62英里）的速度下对组件周围气流的层流、转捩及湍流现象进行建模，这不仅帮助他们了解了气流阻力和回流现象，还实现了量化自行车不同部位的阻力。事实上，一定要重点关注对整体阻力影响最大的组件，这样才能最大限度获得增益；另一方面，局部改进某些组件的空气动力学表现，反而可能会对整体阻力产生负面影响，因为它们会使更多空气流向会产生阻力的组件。在个别组件优化和整体减阻之间找到最佳折衷方案至关重要，而
利用仿真技术才能低成本地快速完成这项工作；毕竟这无论是在风洞还是在自行车赛场上都无法实现。
赢得一场势均力敌的比赛仿真并非是当前自行车设计的唯一方案。仿真并不会取代风洞或静态测试，只是与其紧密配合。这不仅可让设计

团队更快、更有信心地开展原型设计，还可缩减采用“旧”方法创造新产品的试错周期。每一款Lapierre自行车模
型的原型仍会由一位专业骑手进行路测，然后根据其反馈进行新的迭代。

Groupama-FDJ其实是早期就开始应用建模的团队，这让他们在自行车运动领域显得与众不同。因为，虽然包
括一级方程式赛车在内的赛车运动以及美洲杯赛车手都已在使用仿真技术，但自行车运动领域似乎还没有发掘仿真的优势。不过，一旦Aerostorm DRS骑手开始名列前茅，情况就会改变。因为，毕竟自行车比赛是一项势均力敌的比赛，骑手们在赛道上都会争分夺秒，而如果仿真能够帮助骑手争取到以秒为单位的时间，就很可能会成为自行车设计乃至最终比赛夺冠的关键。
© 20212021 ANSYS,
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酷炫

交通 / 结 构 与 流 体分 析

Podbike FRIKAR卧式自行车的轻巧且舒适：

构想始于一声巨响。
Podbike的创始人兼产品研发工程师Per Hassel Sørensen某日曾沿着挪

Podbike FRIKAR
重新定义卧式自行车
作者：《Ansys Advantage》
杂志编辑

威的桑内斯街道骑传统两轮自行车，据他描

述，当时“他与一辆汽车以每秒3米的速度进行

了动能交换”。

换言之，他遭遇了一次低速碰撞事故。

在任何速度下，自行车在碰撞中危险系数都高于

汽车。这场事故几乎导致他的颈椎断裂，也在他的腿

中留下了一块钢板，并导致他此后对在混合交通路段骑

行心存畏惧。

然而他并没有因此开始选择依赖汽车出行，因为对拥有可持续能源硕士学位的硬核骑手Sørensen来说，那是不可想

象的生活。Sørensen在接下来的六年里，他将日常交通工具换

成了一辆自组改装卧式三轮自行车（略微加大马力）。但在内心深处，他深信应该还能做出更好的出行工具。

卧式自行车是一款由电动助力的乘用车，在欧洲自行

车文化中地位甚高。它不仅仅是一种交通工具，还可被用于锻炼身体，并且能耗也很低。不过，卧式自行车也有其
局限性，尤其是在北欧，如果没有车顶或挡风玻璃，骑手
就会暴露在不舒适的气候环境中。

Ansys Mechanical对底盘
前部进行结构疲劳仿真

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Ansys Advantage

这只是Sørensen从头开始研发一款不同类型的电动

自行车需要克服的诸多难题之一。

最终产品将比传统的卧式自行车更安全，使其在拥挤的道路上更加醒目，一年

四季都能舒适地骑行，并对大众市场具有极大的吸引力。

2021年 / 第3期

“ 考虑到所涉及的复杂几何结构，尤其是疲劳方面的特性，进行大量实验室测试和原型开发将非常耗时且成本高昂，因此需要采用数值仿真”

才能开发出类似FRIKAR的产品。

Sørensen与他的四人团队利用Ansys Discovery、Ansys Mechanical和Ansys Fluent开发了Podbike
FRIKAR，这是一款四季适用、封闭式座舱的节能型四轮电动自行车。Sørensen表示，FRIKAR重量虽轻但很牢固，“就像一个茧壳”，可以保护骑手（以及乘坐选配儿童座椅上的儿童）。电动助力模式可为骑手提供更多的骑
踏助力，但不是仅靠电力驱动车辆行驶。

Ansys通过初创公司计划为其提供了上述两款仿真软件，该计划旨在帮助那些极具发展潜力但研发资金有限的新创企业。

Sørensen表示：“创立一家新企业可以说是万事开头难。Ansys以优惠的条件提供了一流软件，给予了我们非常大的帮助。”

设计性能超凡的卧式自行车

FRIKAR电动自行车的空气动力学车身设计，需要在成本、易于组装与强度、安全性之间取得平衡，不仅车辆要能够安全工作，坐在车内的骑手也要感到安全。

Podbike FRIKAR将卧式自行车的安全性提升到全新的水平。

由于采用了四轮而非传统的三轮布局，FRIKAR比传统卧式自行车更平稳，在转弯时平稳度更高。保护区可在发生碰撞时吸收并分散冲击能量。实际上，FRIKAR的设计旨在与慢速移动或静止物体碰撞时，车身能够产生反弹作用。

然而，为了真正赢得广大骑手的喜爱，FRIKAR也必须彰显时尚特性。有人可能会觉得它

非常酷炫，这也是Sørensen所追求的目标。

典型的三轮卧式自行车类似于三轮卡丁车或某些儿童游乐设施，采用无顶车身，在踏板下面有一
个“摩登原始人”风格的开口。然而，能够遮风挡
雨的Podbike FRIKAR采用全封闭车身（顶盖、侧

面和底部），还拥有类似喷气飞机驾驶舱的流线型美观外形，并且更加紧凑。

它长7.5英尺，宽2.75英尺，与一辆自行车拖车的大小差不多。尽管其低矮的外形设计是出于对
防侧倾的考量，但FRIKAR车身实际上比兰博基尼Countach或Miura还要高。FRIKAR可容纳一个成年人，有较宽裕的乘坐空间。其还有载货区，足以容纳杂货、野营装备或几只宠物。

凭借时尚的造型，FRIKAR看起来像是为速度而生，不过至少在电动自行车领域，它确实速度非凡。它采用卧式底盘，两个后轮装配
有电机、每个前轮装配有一部脚踏发电机。在电动助力支持下，其FRIKAR结构平台量产型

版本CAD模型截图，使用结构粘合剂和快速紧固
件进行连接最高速度可达每小时15.5英里。如果速度高于该水平，它便不再符合欧盟规定的电动自行车的规格，那就意味着它无法在自行
车专用道上行驶，而且还需要驾驶执照和登记号牌才能使用。
FRIKAR也很注重其续航里程的设计。底盘不仅可以容纳多个牵引电池（提供动力），纯电模式下每个电池的电动续航里程为37-55英里。这些电池也用于提供电动助
力，提高骑踏动力，而非仅靠电力驱动车辆自行驶，以此帮助骑手节省能耗的同时，延长骑行里程。

©
© 20212021 ANSYS,
ANSYS, INC.
INC.

Ansys Advantage45交通 / 结构与流体分析

舒适的氛围当然，并非每个骑手都希望使用电动助力模式。为

了便于骑手不依靠电动助力进行自主骑行，设计时需要

考虑到如何合理控制FRIKAR的整体重量（目前的模型
版本是198磅）。

尽管碳纤维可以显著减轻FRIKAR的重量，但它并

不符合Podbike的绿色环保理念。因为这种材料无法回
收或再利用，所以将其排除于备选方案之外。

团队最终选择了一种更环保、更耐腐蚀的铝合金

锐利车尾形成的湍流显示出低阻力和实用功能之间的权衡考量

和不锈钢的混合材料，应用于承受更高疲劳周期的组件。他们使用

Mechanical对材料的疲劳、载荷和振动进行分析，以了解FRIKAR在不同工况下（包括颠簸道路）的性能表现。Mechanical还提供了电动自行车的冲击响应分析。

Ansys CFD湍流模型支持团队开展阻力计算，为电动自行车的外形设计提

供了Sørensen所说的产品研发“线索”。为了最大限度减小阻力，Podbike团队在多次迭代中优化了车身的几何结构。

Sørensen还使用Ansys CFD开展热仿真，并计算内部通风的空气流速，使FRIKAR既能够彰显全然不同的风采，也能确保座舱冷却性能。
Sørensen表示：“任何脚踏动力装置都具备一大共性，即骑手产生的热量必须耗散出去。然而，由于FRIKAR骑手处于完全封闭的座舱内，该区域内的气流无法自动冷却，这为鼓风机和通风口的气流带来了关键的设计挑战。”

如果没有足够的冷却机制，极

度疲劳可能导致身体过热或迫使骑手

放慢速度。此外，计算通风的总热载荷还必须考虑到其他一些小的热源，包括前

灯，甚至是骑手呼出的湿气，都可能使车窗起雾。

仿真助力开发提速

虽然Podbike FRIKAR的灵感源于一次偶然事故，

速度图显示10米/秒的空气速度标示以及阻力和
升力计算的收敛

但Sørensen和他的团队为实现试生产所做的每一步都经过了深思熟虑。这包括使用Ansys仿真为重要设计决策提供指导。Sorensen表示，如果没有仿真技术，团队很难走到今天。

他指出：“考虑到所涉及的复杂几何结构，特别是疲劳方面的特性，进行大量的实验室测试和原型开发将非常

耗时且成本高昂，因此需要采用数值仿真才能开发出类似FRIKAR的产品。如果不借助仿真，我们就没办法在合理的时限和预算内完成开发工作。”

Podbike、Podbike徽标和FRIKAR均为Podbike AS的商标，已在挪威和其它国家登记注册。经许可使用。

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Ansys Advantage

2021年
2021年 // 第3期
第3期

交通 / 拓 扑 优 化

Predator
Cycling
借助仿真优化骑行体验当

作者：《Ansys Advantage》杂志编辑
14岁的Aram Goganian还是一位狂热的自行车赛车手时，他无法忍受一家公司需要耗费很长时间才能生产出一款全新的计时赛自行车。
Goganian回忆道：“我告诉他们，这没有那么复杂，应该加快速度。公司负责人却

说，‘如果真有那么简单，那你应该自己去做。’”于是他真的去做了。
22年后，他仍然在自己创立的Predator Cycling公司设计独特的自行车和零配件，唯一不同的

是，现在他使用Ansys Discovery、Ansys Mechanical、拓扑优化和Ansys Composite Prepose© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage47来构建各种产品，从最新的RF20碳纤维自行车到3D打印的水壶架，这款水壶架能够将水壶牢牢固定住，即使是在最狂野的山地自行车骑行中也能确

保水壶固定。他使用了配备NVIDIA RTX A6000 GPU和基于全新Ampere

架构的64核Threadripper Pro处理器的联想新款ThinkStation P620，以创纪录的时间运行仿真。作为Ansys初创公司计划的成员，Goganian在2020年初

就开始采用Ansys仿真解决方案，当时，他正好在设计RF20中遇到了一些难题。

他表示：“我们开始使用Ansys仿真。这是颠覆性的技术，使我们可以在进行

原型制作之前开展大量仿真，而由于能够在设计流程早期阶段进行仿真，我们节省了

至少七、八个月的研发时间，从而节约了额外的成本。”借助仿真成功研发RF20自行车

当Goganian年仅15岁时，他就制造出了自己第一辆自行车的原型，据他描述，这辆自行车“看起来很粗糙”，但是其他赛车手看到后，都想买一辆。于是，他意外地开始做起了生

意。他的初衷其实是制造速度最快的自行车，并赢得自行车比赛。

他解释道：“赢得自行车比赛并不总是意味着需要最轻便的自行车，更大程度上

能影响结果的，是车身总重量、重量分布、空气动力学、车架刚度、耐冲击性、自行车舒适性、生物力学、最短的后下叉和其他因素之间的平衡。”

对于RF20公路自行车，Predator Cycling团队设计和制造了一款从车架到最小精细组件都经过了全新打造的产品，其中包括专用的底部支架系统⸺它是位于车架底部的一个空心圆柱体，自行车曲柄、车轴和轴承都安装在其中。此外，他们还花费了大量时间来设计后叉端⸺自行车后面

用于安装后轮的两个小吊架凹槽。虽然后叉端看似简单，但Goganian

进行了三次重新设计，最后一次使用了Discovery，以确保它具有较高的
耐用性。在进行产品设计时，Goganian是一位完美主义者。

此外，他还使用Ansys Composite PrePost为RF20设计全新的车把。正如您所料，他在这方面也开辟出了新天地，将碳纤维预浸料（一种预先浸渍了树脂系统的增强织物）和高温3D打印材料融合成一个部件。
仿真GENIUS水壶架

Goganian的目标是制造出完整的自行车相关系列产品，可以直接由其进行3D打印然后销售给消费者，因此，他使用Discovery的拓扑优

化功能设计出一款开创性的全新水壶架。这个安装在自行车车架上的小装置只是用来放置水壶，似乎不需要太多的工程创新，但在Predator

Cycling，水壶架也需要创新。Goganian想设计一款市场上最有效、最耐用、最易使用的水壶架。

Goganian表示：“水壶经常会从水壶架中弹出来，特别是当在崎岖的地形

骑山地自行车时。这既危险又不方便，还会影响骑手的速度。”

入口角度是一个重要参数。我们如何将水壶放入水壶架呢？从什么角度

放入呢？

他解释道：“过去，只能从正上方将水壶放入水壶架。除此之外，别无他法。而我们设计了一个像张开大嘴的鲨鱼的开口。设计的构思是，可以48

Ansys Advantage

上图和下图分别为Predator
Bicycle Genius水壶架的

初始版本和最终版本，使用

Ansys Discovery进行了优化
2021年 / 第3期

交通 / 拓扑优化从近似45度的角度插入水壶。这样，就可以简单地随手把水壶放

入水壶架。水壶架的材料属性使其具有高度的灵活性。无论是掰它，旋转它，它都可以紧紧抓住水壶。”Goganian大约在三年前就提出了Genius水壶架的构思，但直到使用了Discovery的拓扑优化

功能之后，才能够真正地加以实施。利用该功能，他

首先开展标准设计，并分析在不降低性能的情况下可以减少哪些材料。

您可以在Predator Cycling网站上观看使用Discovery

制作的Genius水壶架拓扑自动化的动画，它展示了拓扑优

化如何自动移除设计中的材料，使设计从初始形状逐步演变为最终形状的过程。

他表示：“我非常喜欢拓扑优化，这是我最喜欢的一项工

Genius水壶架有一层陶瓷涂层

作。我们早就有开发能完美契合3D打印工艺的水壶架的构想，但在接触Discovery之前，对此类问题一直是一筹莫展。”水壶架由紫外线活化树脂制成，然后用一层薄的陶瓷涂层进行后固化。Goganian喜欢使用Discovery的一个原因是，他可以导入自己的定制材料进行仿真。通过添加陶瓷涂层，增加水壶架重量（Genius水壶架重20克，而市场上最轻的水壶架重约16克）获得了更高的耐用性。陶瓷涂层可以保护水壶架免受紫外线的破坏，并帮助它保持原有的颜色。

“让我抓狂的一点是，时间一长，水壶架就会变色，因为在水壶架中放入与拿出水壶时，会发生摩擦。实际上，我们的陶瓷涂层具有润滑属性，有助于更方便地放入和拿出水壶，使水壶架变得更加耐用。
此外，在骑行中，人们会大量排汗（包含盐分），以及摄入能量饮料和糖，这些成分都会侵蚀并破坏材料，而陶瓷可以防止这种破坏。”
综合全面的初创公司计划

除了Ansys初创公司计划提供的极具吸引力的优惠价格外，Goganian还看重的是，他们能够即时

访问完整的Ansys产品，用他的话来说就是：“包含了一切产品。无论想要使用哪种软件，都可以找到。
只要使用者需要，Ansys就提供帮

助。”拥有完整的软件包意味着，他
不必担心在设计项目进行到一半时，发现无法访问某些软件，从而阻碍项目进度。

此外，他为自己能够成为工程领

域的一员感到高兴。

Goganian表示：“一想到我用来做自行车的仿真软

件，也正在被航空航天公司

用来制造火箭。就觉得，这
真的太厉害了。”

Predator Bicycle使用
Ansys Discovery帮助设计
RF20自行车© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage49交通 / 电 机 设 计

Bimotal借助

Ansys仿真为您心爱的
自行车加足马力

当山地车骑友们都开始购买电动自行车时，即使您也考虑加入他们的队伍，有一个问题却让人左右为难：现在的这辆旧自行车令人爱不释手，因此并
不想折价换掉它。这辆自行车的重量和手感都刚刚好，而且你们一起有过很多难忘的经历。

如果您在市场上可用的电动自行车或改装套件中没有找到想要的完美功能组合，不妨试试Bimotal的便
携式电机组件⸺Elevate。利用从Ansys初创公司

计划获得的Ansys Motor-CAD仿真软件开展设计，Bimotal
创建了一款轻量化设备⸺Elevate，其可在几秒钟内通过快速连接凸轮杆被安装在旧自行车后轮的制动盘上。车把手上的节
气门控制装置可以让您决定何时打开电机进行加速，以帮助您
爬上前面的山坡。而且，如果您正准备沿着崎岖的山路往下坡骑行，并且想减轻簧

Bimotal公司表示在20秒内即可
取出Elevate电机和电池

下重量时，还可以轻松拆下它，并把它放入背包。

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Ansys Advantage
Advantage
Ansys

2021年//第3期
第3期
2021年

“我们的使命是减少‘无汽车交通’的障碍，我们旨在成为电机、变速箱、电池和电子产品的专家。而在Ansys工具的帮助下，”电机和变速箱的优化工作已变得更加快速、高效。

Elevate的创意来自Bimotal创始人、首席执行

官Toby Ricco以及该公司的电气工程师Chad Furey，

Furey是一位专门从事电机设计的“电机专家”，几年前
他们曾在特斯拉一起共事过。Jason Roesslein和Matt
Rounds也是Ricco和Furey的前同事，他们于2020年

夏天加入了这个团队。当Ricco在2018年的一次滑雪事

故中扭伤膝盖时，他担心自己可能无法再享受到山地自行车的乐趣，因为受伤的膝盖让他无法凭借自身力量蹬Bimotal Elevate是一款可拆卸的、安装在自行车

上山坡。

Ricco表示：“刚开始我希望寻找全电动自行车以及电动自行车改装系统，可是我发现，它们都很笨重又昂贵。我盘式制动器上的轻量化电动自行车电机找到一种方法，能够实现在自行车上快速拆装超轻便的电机。于是，这个系统和我们的公司就诞生了。”寻找电动自行车的更优实现方法

由于Ricco的膝盖需要很长时间才能痊愈，这让他有机会以全新的方式审视电动自行车设计。

Ricco表示：“在膝盖受伤的那段时间里，我每天晚上下班后都会盯着我的自行车看一小时，我想，‘一定会

有更好的方法’。就这样过去了好几个月……我一直在寻找方法。”

作为参考的例子是，典型的中驱电动自行车的电机位于踏板所在的曲轴前面的底部支架中。大多数用户的骑行

速度下（大概是大于5英里/小时的速度，可能是8英里/小时），电机先减速到用户踩踏板的速度，然后通过自行车链条和安装在后轮轮毂上的齿轮加速。因此，电机以较低的电机-齿轮总传动比运行，这就需要更大的电机扭矩，并且为了实现相同的功率，其在本质上具有更低的效率或更重。其它常见的电动自行车由轮毂电机提供动力，这样
会将扭矩直接传递给车轮，而且通常基本没有齿轮减速，同样地，为了实现给定的车轮扭矩和效率，电机
需要变得更重。

Ricco说道：“我一直在思考，‘如何才能给车轮施加扭矩呢’？最终，我想到，刹车可以承受很
大的扭矩。当时，尽管电动汽车都是采用电机变速
箱来驱动车轮，但是这在电动自行车领域中还并无
先例。”

在确定了基本构思之后，接下来的挑战就是如何使其变得简单。在Ricco看来，原理就应该很简单：将Elevate电机固定在制动杆的支架上，然后就可以开始骑行了。

通过仿真将电动自行车的构思变为现实

当确定好Elevate电机的构思之后，Bimotal公司于ANSYS, INC.
INC.
© 2021 ANSYS,

Bimotal使用Motor-CAD中的热模型来了解电机在
各种工作条件下的温升

Ansys Advantage51交通 / 电 机 设 计

2019年7月成立了，并正式开始投入工作。Ricco负责电机安装设计、快速连接系统和传动系统，以驱动自行车的制动盘，Furey则开始仿真电池供电电机的各个方
面，以便尽可能地让Elevate系统变得更轻量化、更安静、更高效，并具有尽可能高的功率密度。

作为一家资金非常有限的初创公司，Bimotal必须尽可能以经济高效的方式开展设计和工程。Furey表

示：“当你开始寻找仿真软件时，如果询问Ansys是否

提供更适合初创公司的协议，你很快就能了解到Ansys
初创公司计划。我们很高兴能够以如此优惠的价格使用

Ansys软件。”很快，Furey拥有了自己建立的完善流
程，利用MATLAB与他编写的自定义脚本，一次可以

Toby Ricco，Bimotal
创始人、首席执行官

自动评估数万到数十万种设计，然后使用Ansys Motor-CAD对最佳备选方案进

行评估。这样，只需对设计进行细微的调整，很快就可以产生大量的模型。

Furey说道：“当希望确定磁铁或者转子的尺寸时，如果有10个磁铁变量、10个转子变量和10个热变量，那就会有1000次迭代。所以，在电机设计中，如果需要调整

100个参数，那么，迭代次数就会激增。”通过上述强大的计算方法，Furey可以快速评估所有组合的基本可行性，然后借助

Motor-CAD仔细研究10到15种最可行的备选方案。

Furey表示：“我对较好的备选方案进行优化，并使用Motor-CAD来确保一切都井然有序。”

他使用Motor-CAD中的热模型来充分了解电机在各种工作条件下的温升。软件生成的效率图可以帮助他确定驱动轮廓和电机设计中关键点的损耗。此外，Motor-CAD还能帮助他决定是使用表面永磁体还是内部永磁体。

Furey表示：“在Motor-CAD中开展研究非常简单，我可以进行诸如‘能否能把扭矩密度变得更

高’的尝试。”优化系统

Ricco设计了一种堪称目前市场上最小的凸轮杆连接器系统，其具有1000牛顿的夹紧力，可以确保即使骑行在崎岖的路面上，Elevate电机组件也始终不会掉下来。

尽管Elevate电机系统十分小巧，只有不到一个手掌那么大，但仍然还有很多工程要进行。Ricco表示：“挑战在于对整个系统优化⸺我们到底想要多大的功率？自行车需要多大的功率？然后，我们一般需要释放多少热量，或者可以释放多少热量？我们能把散热器做到多小？在能够维持这个强大系统的情况下，我们能把电机做到多小？”Motor-CAD帮助他们解决了这一系列的问题。最终，Elevate电机仅有2磅重，却可产生高达750瓦的功率。在Ansys仿真软件的帮助下，他们还实现了公司的口号，即“让心爱的自行车继续伴您骑行”。
Ricco指出：“我们的使命是减少‘无汽车交通’发展的障碍，我们旨在成为电机、变速箱、电池和电子产品的专家。而在Ansys工具的帮助下，电机和变速箱的优化工作已变得更加快速、高效。”
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