1.    背景

全球疫情下，英国医疗系统进行了医疗系统需求评估，在此次评估中，根据需求模型表明，英国国民医疗体系ICU的呼吸机数量不能满足患者需求。因此在2020年3月13日，一家名为Team Consulting的公司接受了英国政府的委托，计划在4周内生产数万台新型呼吸机。3月24日，Team Consulting团队与马勒动力总成接洽，讨论应用仿真技术降低设计风险。4月5日呼吸机系统建模对标完成。

马勒动力技术团队应用GT-SUITE搭建了呼吸机系统的模型，通过该模型可以在呼吸机认证试验之前，帮助设计团队研究指定组件和参数的灵敏度，并且能够准确描述呼吸机系统的性能。

2.    呼吸机基本工作过程

病人处于昏迷状态，并被插入呼吸管，呼吸机有一个4 bar的氧气供应端作为动力源，从医院墙壁供应或由外部气瓶供应

一个二位五通阀向风箱活塞的两侧提供交替的氧气流，使风箱循环运动，控制吸气-呼气时间比，该装置能够使风箱的运动和病人的呼吸频率同步

风箱吸入周围空气并将空气/氧气混合物推入患者的肺部。通过机械止动器、阀门和调节器控制系统的输出，临床医生能够精确地控制氧气输送量、病人管线压力和氧气浓度，从而能够有效地诊断和治疗创伤性肺疾病。

3.    GT-SUITE的建模过程

3.1 模型总体概述

完整的呼吸机GT模型如下图所示：整个模型中采用“flow”库建立空气回路，采用“Mechanical”库建立结构运动部件。流动采用可压缩显示求解器，结构部分采用隐式求解器。呼吸机运转的物理过程为5个循环每个循环30s，共计150s，模拟计算工况一致，GT-SUITE的计算时间为480s。

3.2   关键结构部件：限流器

限流器用于调节活塞的运动，减缓活塞的速度，以便在呼气和吸气时提供适当的运行位置，限流器通过两个阀门来进行控制，Orifice控制呼气速度，Checkvalve控制吸气速度，两者为并联。在模型校核阶段需要调整流量系数，使活塞运动轨迹和试验一致。

3.3   关键结构部件：二位五通阀

该阀门共有五个端口，其中下图所示P为进气口、A和B、EA和EB为出气口，上下两个出气口交替排气，通过参数化的随时间变化的主轴力曲线控制呼气-吸气时间比。通过下图所示的GT模型，可以精确的计算出活塞压力曲线，同事由于搭建了详细结构，该模型具有比节流孔简化模型更高的计算精度。

3.4   关键结构部件：呼吸阀门

呼吸阀是整个系统中结构体积最小的部件，但是物理过程非常复杂，这个阀门是一种双作用单向阀，允许氧气在吸气时从风箱流向患者，在呼气时从出气口排出。

下图为呼吸阀的GT模型，使用双作用止回阀和簧片阀来模拟物理过程，当外力为0时，轻弹簧（CV34spring）将阀门关闭（CV_3)。

3.5   关键结构部件：模拟肺

在呼吸机的认证测试中，肺部由一个受约束的充气囊来替代，以近似人类肺部的物理行为，肺部使用带有活塞和弹簧的容腔来模拟，在模型校核阶段需要调整肺部容积和弹簧刚度，使活塞运动规律和测试相同。

4.    模型校核

模型通过认证试验进行校核，整个模型校核过程提供了对物理组件如何运行的深入了解，尤其是对意料之外的行为的理解。认证测试有多组，需要使用同一模型，实现全部数据吻合。

5.    模型预测计算和参数敏感度分析

通过以上校核的模型计算各种工作条件，使用DOE功能，完成多工况设定，模型的计算结果可以用于系统研究和检查，并且可以分析任何可能导致产品不合规的原因，包括：几何结构变动，泄露，传感器位置等。

6.    结论

1）     马勒动力总成公司的工程师仅3天时间就建立了呼吸机的GT-SUITE模型，并在10天内与实测数据进行了对标，该模型被用于模拟呼吸机获得认证所需进行的多项测试，帮助理解系统和关键部分的运行机制

2）     本项目设计的呼吸机于4月20日投入试生产，在该项目中，展示了利用模拟技术在危机情况下能够迅速做出反应，帮助理解和优化复杂系统设计。

3）     GT-SUITE 的仿真能力在将通常需要数月或数年的开发周期压缩为数周。

4）     即使疫情期间，在只有远程办公无法当面交流的情况下，使用GT-SUITE都能够高效完成仿真分析任务。