奚夢瑤維密第一摔與有限元仿真

還在臺上懵了10秒鐘!

朋友圈、微博各個社交平臺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,可以利用有限元法來研究跟高對足部壓力傳遞的生物力學影響,分析鞋跟高度對足部骨骼變形的影響。從而提升高跟鞋舒適度也是個不錯的話題的。

首先,我們可以建立一個健康人體足部的三維有限元模型,模擬真實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,雙足站立相對足部內(nèi)部的生物力學特性,幫助人們進一步了解足部在負重時的應力與應變情況。通過對穿平底鞋和高跟鞋時足部所受應力和應變情況的分析對比,驗證了長期穿高跟鞋會對足部受到更大的應力以及引起更嚴重的足部變形,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的足部骨骼,這可作為穿平底鞋時的骨骼模型,如圖。可考慮到穿高跟鞋時足部關節(jié)的變化主要發(fā)生在跖趾關節(jié)和趾間關節(jié),將平底鞋模型中的跖趾關節(jié)和趾間關節(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雜,表面不規(guī)則,實體模型直接導入CAE軟件中會出現(xiàn)失真和失敗的情況,且網(wǎng)格質量不高。為避免導入CAE軟件后模型的失真,提高單元劃分的質量,保證計算精度,我們利用具有強大解析功能的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,空間定位復雜,使得模型中韌帶的準確添加較為困難,而且其定位的不同將直接影響有限元分析的結果。因此在滿足足部骨骼有限元模型驗證的前提下,并在參考文獻的基礎上,選擇性地添加了5根足底長韌帶,起自根骨下面的跟結節(jié)外側突的前方,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

有關材料力學參數(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,足部所受外力來自自身體重(約為600N),平均每只足部受力300N,并跟進參考文獻的測量結果添加肌肉力。由于肌肉附著于骨骼上的一定的表面范圍,若簡單地以單一中立代替各肌肉力,將會在有限元分析中產(chǎn)生肌肉力應以集中力的形式作用在若干節(jié)點上。中立相時,整個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,將模型導入到求解器中進行有限元軟件ANSYS求解。

四、結論

通過表2中的數(shù)據(jù),我們不難看出:

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

2. 穿高跟鞋時,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!