奚梦瑶维密第一摔与有限元仿真

还在台上懵了10秒钟!

朋友圈、微博各个社交平台全方位围观了这一摔!

不过,话说维密姐姐们真的很不容易,要把这么多颜色穿在身上,脚踩恨天高还要保持仙气飘飘,美炸了(要是没有摔一跤的话)

事后,奚梦瑶微博上晒出受伤的脚,真是不容易啊,维密的高跟鞋不是那么容易穿的,一般来说,穿高跟鞋行走时最常出现的就是脚踝扭伤,基本可分为韧带损伤和骨折。

其实,可以利用有限元法来研究跟高对足部压力传递的生物力学影响,分析鞋跟高度对足部骨骼变形的影响。从而提升高跟鞋舒适度也是个不错的话题的。

首先,我们可以建立一个健康人体足部的三维有限元模型,模拟真实受力情况添加肌肉力,并利用此模型静态地分析了在穿平底鞋和高跟鞋两种情况下,双足站立相对足部内部的生物力学特性,帮助人们进一步了解足部在负重时的应力与应变情况。通过对穿平底鞋和高跟鞋时足部所受应力和应变情况的分析对比,验证了长期穿高跟鞋会对足部受到更大的应力以及引起更严重的足部变形,并引起足弓塌陷。

一、足部骨骼模型的建立

采用的模型依据于前期工作建立的中立相时的足部骨骼,这可作为穿平底鞋时的骨骼模型,如图。可考虑到穿高跟鞋时足部关节的变化主要发生在跖趾关节和趾间关节,将平底鞋模型中的跖趾关节和趾间关节变换角度,即可得到高跟鞋模型,如图。

二、HyperMesh中足部骨骼有限元模型的前处理

由于模型的形状比较复杂,表面不规则,实体模型直接导入CAE软件中会出现失真和失败的情况,且网格质量不高。为避免导入CAE软件后模型的失真,提高单元划分的质量,保证计算精度,我们利用具有强大解析功能的CAE处理软件。将Pro/E中装配完成的模型以IGES格式到处,然后导入HyperMesh,在HyperMesh中划分网格,添加足部韧带,定于单元类型,定义骨骼和软骨的材料及属性,并完成载荷和约束的添加。

1.网格划分与韧带的添加

足部韧带数量众多,空间定位复杂,使得模型中韧带的准确添加较为困难,而且其定位的不同将直接影响有限元分析的结果。因此在满足足部骨骼有限元模型验证的前提下,并在参考文献的基础上,选择性地添加了5根足底长韧带,起自根骨下面的跟结节外侧突的前方,止于第1~5跖骨头,和一根连接根骨与股骨的足底短韧带。在本例中股骨和软骨的类型选择solid 92单元,韧带选择Combination 14单元。划分后的有限元模型如图。

2.材料属性与单元类型的选择

有关材料力学参数的选择如下表

3.载荷和约束的添加

在一般情况下足部所受外力为自身的重力,内力为肌肉的张力,在中立相时,足部所受外力来自自身体重(约为600N),平均每只足部受力300N,并跟进参考文献的测量结果添加肌肉力。由于肌肉附着于骨骼上的一定的表面范围,若简单地以单一中立代替各肌肉力,将会在有限元分析中产生肌肉力应以集中力的形式作用在若干节点上。中立相时,整个足跟后部和趾骨前部与地面接触,需要再这些部位添加x、y、z三个方向上的固定约束。

三、求解器中有限元模型求解

载荷和约束条件施加完毕后,将模型导入到求解器中进行有限元软件ANSYS求解。

四、结论

通过表2中的数据,我们不难看出:

1. 穿平底鞋时,足部所受最大应力出现在根骨下表面,而在穿高跟鞋时,足部所受最大应力转移到了第二趾骨末端,并且数值增加到了平时穿平底鞋的2.1倍,这验证了穿高跟鞋时足底压力会向前移,使跖趾关节处受力过大的情况。

2. 穿高跟鞋时,足部骨骼产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,导致足弓的塌陷,使足部的弹性降低,并引起足掌的疼痛。

看完这些,小编吓了一跳!

所以对鞋子有限元仿真优化,还是很有必要的,做鞋的老板们一定要做有限元仿真啊,说不定下回维密姐姐们穿的可能就是你家的鞋子啦!