奚夢(mèng)瑤維密第一摔與有限元仿真

還在臺(tái)上懵了10秒鐘!

朋友圈、微博各個(gè)社交平臺(tái)全方位圍觀了這一摔!

不過,話說維密姐姐們真的很不容易,要把這么多顏色穿在身上,腳踩恨天高還要保持仙氣飄飄,美炸了(要是沒有摔一跤的話)

事后,奚夢(mèng)瑤微博上曬出受傷的腳,真是不容易啊,維密的高跟鞋不是那么容易穿的,一般來說,穿高跟鞋行走時(shí)最常出現(xiàn)的就是腳踝扭傷,基本可分為韌帶損傷和骨折。

其實(shí),可以利用有限元法來研究跟高對(duì)足部壓力傳遞的生物力學(xué)影響,分析鞋跟高度對(duì)足部骨骼變形的影響。從而提升高跟鞋舒適度也是個(gè)不錯(cuò)的話題的。

首先,我們可以建立一個(gè)健康人體足部的三維有限元模型,模擬真實(shí)受力情況添加肌肉力,并利用此模型靜態(tài)地分析了在穿平底鞋和高跟鞋兩種情況下,雙足站立相對(duì)足部內(nèi)部的生物力學(xué)特性,幫助人們進(jìn)一步了解足部在負(fù)重時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變情況。通過對(duì)穿平底鞋和高跟鞋時(shí)足部所受應(yīng)力和應(yīng)變情況的分析對(duì)比,驗(yàn)證了長期穿高跟鞋會(huì)對(duì)足部受到更大的應(yīng)力以及引起更嚴(yán)重的足部變形,并引起足弓塌陷。

一、足部骨骼模型的建立

采用的模型依據(jù)于前期工作建立的中立相時(shí)的足部骨骼,這可作為穿平底鞋時(shí)的骨骼模型,如圖?？煽紤]到穿高跟鞋時(shí)足部關(guān)節(jié)的變化主要發(fā)生在跖趾關(guān)節(jié)和趾間關(guān)節(jié),將平底鞋模型中的跖趾關(guān)節(jié)和趾間關(guān)節(jié)變換角度,即可得到高跟鞋模型,如圖。

二、HyperMesh中足部骨骼有限元模型的前處理

由于模型的形狀比較復(fù)雜,表面不規(guī)則,實(shí)體模型直接導(dǎo)入CAE軟件中會(huì)出現(xiàn)失真和失敗的情況,且網(wǎng)格質(zhì)量不高。為避免導(dǎo)入CAE軟件后模型的失真,提高單元?jiǎng)澐值馁|(zhì)量,保證計(jì)算精度,我們利用具有強(qiáng)大解析功能的CAE處理軟件。將Pro/E中裝配完成的模型以IGES格式到處,然后導(dǎo)入HyperMesh,在HyperMesh中劃分網(wǎng)格,添加足部韌帶,定于單元類型,定義骨骼和軟骨的材料及屬性,并完成載荷和約束的添加。

1.網(wǎng)格劃分與韌帶的添加

足部韌帶數(shù)量眾多,空間定位復(fù)雜,使得模型中韌帶的準(zhǔn)確添加較為困難,而且其定位的不同將直接影響有限元分析的結(jié)果。因此在滿足足部骨骼有限元模型驗(yàn)證的前提下,并在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,選擇性地添加了5根足底長韌帶,起自根骨下面的跟結(jié)節(jié)外側(cè)突的前方,止于第1~5跖骨頭,和一根連接根骨與股骨的足底短韌帶。在本例中股骨和軟骨的類型選擇solid 92單元,韌帶選擇Combination 14單元。劃分后的有限元模型如圖。

2.材料屬性與單元類型的選擇

有關(guān)材料力學(xué)參數(shù)的選擇如下表

3.載荷和約束的添加

在一般情況下足部所受外力為自身的重力,內(nèi)力為肌肉的張力,在中立相時(shí),足部所受外力來自自身體重(約為600N),平均每只足部受力300N,并跟進(jìn)參考文獻(xiàn)的測(cè)量結(jié)果添加肌肉力。由于肌肉附著于骨骼上的一定的表面范圍,若簡(jiǎn)單地以單一中立代替各肌肉力,將會(huì)在有限元分析中產(chǎn)生肌肉力應(yīng)以集中力的形式作用在若干節(jié)點(diǎn)上。中立相時(shí),整個(gè)足跟后部和趾骨前部與地面接觸,需要再這些部位添加x、y、z三個(gè)方向上的固定約束。

三、求解器中有限元模型求解

載荷和約束條件施加完畢后,將模型導(dǎo)入到求解器中進(jìn)行有限元軟件ANSYS求解。

四、結(jié)論

通過表2中的數(shù)據(jù),我們不難看出:

1. 穿平底鞋時(shí),足部所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在根骨下表面,而在穿高跟鞋時(shí),足部所受最大應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了第二趾骨末端,并且數(shù)值增加到了平時(shí)穿平底鞋的2.1倍,這驗(yàn)證了穿高跟鞋時(shí)足底壓力會(huì)向前移,使跖趾關(guān)節(jié)處受力過大的情況。

2. 穿高跟鞋時(shí),足部骨骼產(chǎn)生的最大位移量是穿平底鞋的2倍,并且由于舟骨和趾骨前端位移的下降,導(dǎo)致足弓的塌陷,使足部的彈性降低,并引起足掌的疼痛。

看完這些,小編嚇了一跳!

所以對(duì)鞋子有限元仿真優(yōu)化,還是很有必要的,做鞋的老板們一定要做有限元仿真啊,說不定下回維密姐姐們穿的可能就是你家的鞋子啦!