52 基于abaqus的足骨有限元分析研究

第 22 卷 增刊 2 计 算 机 辅 助 工 程 Vol 22 Suppl 2 论文所属行业 其他 基于基于 abaqusabaqus 的足部的足部有限元分析研究有限元分析研究 周俊杰 郭朋飞 郑州大学化工与能源学院 河南省 郑州市 450000 摘要 通过 Engauge 软件从 CT 图像上提取出成年男子足部轮廓数据 根据得到的数据运用 Solidworks 建 立足部模型 然后利用有限元软件 Abaqus 进行应力分析 经过人体站立及承受碾压力时足部受力情况的 分析 结果表明 成年男子站立时最大应力及变形均在跖骨 应力为 0 919MPa 变形为 1 19mm 足部承受 100N 碾压力时 跖骨的最大应力为 2 635MPa 碾压力为 1000N 时 跖骨的最大应力已达到 23 572MPa 最 终得到结论 人体足部受到碾压时 跖骨极易出现损伤 关键词 足部 Abaqus 有限元 应力分析 中图分类号 R6 Research on the Finite Element Analysis of Foot based on Abaqus Zhou Junjie Guo Pengfei Chemical and Engineering Institute of ZhengZhou Univercity ZhengZhou 450000 Abstract Through the software Engauge extracting data of adult male s foot contour from CT image The foot model has been built based on the extacting data with Solidworks Then the stress conditions of human foot have been conducted on analysis with finite element software Abaqus Through the analysis when standing and under rolling pressure The results show that when adult male standing the maximum stress and deformation is at the metatarsal and the stress is 0 919 MPa the deformation is 1 19 mm When human foot under rolling pressure of 100N the maximum stress at the metatarsal is 2 635MPa When human foot under rolling pressure of 1000N the maximum stress at the metatarsal is 23 572MPa the Conclusions have been drawn When human feet suffer rolling the metatarsal is easily injury Key words foot Abaqus finite element analysis stress analysis 0 引言 随着计算机技术的迅速发展 近年来 有限元 法被广泛的应用于生物力学的研究之中 作为生物 力学重要的组成的部分 广大学者对足部生物力学 进行了大量研究 如踝关节损伤 1 拇指外翻 2 扁平足 3 等足部疾病的生物力学研究 但目前对于 足部生物力学的研究大多是针对离体标本或人工 模型 对韧带 关节上的力不能量化观察 对骨骼 内部的受力情况也难以得到 造成了研究成果的不 全面 4 而有限元法的引进 解决了这些不能直接 在人体上操作的技术难题 人类足部的构造分为三 个部分 即前足部 中足部 后足部 如图 1 所示 前足部为趾骨 人在步行时 以前足部抓住地面 让身体前进 中足部为由第一至第五跖骨形成 各 跖骨都由韧带与骨头部相结合 体重加上去 足弓 会有某种程度的减少 是具有弹力的骨 后足部由 跗骨所组成 由跟骨 距骨 舟骨 第一 第二 第三楔骨 骰骨等七支骨所形成 再加上强度很高 的韧带所构成 对于人类直立时的安定感的控制起 重要作用 5 本文主要致力于研究人体足部站立及 碾压工况下足部的受力情况 收稿日期 2013 08 07 作者简介 周俊杰 1974 男 河南人 副教授 研究方向为 CAE CFD 分析 E mail852849778 郭朋飞 1988 男 河南人 硕士研究生 研究方向为 CAE CFD 分析 E mail gpfzzu123 第 22 卷 增刊 2 计 算 机 辅 助 工 程 Vol 22 Suppl 2 a 足部骨组织 b 足部韧带与关节 图 1 足部结构 1 CAE 分析 运用有限元软件Abaqus对足部进行应力分析 研究足部骨组织的受力情况 先将载荷与边界条件 施加到足部模型上 然后求解静力分析的控制方程 即可得到足部模型在各节点的位移和应力 静力分 析控制方程 6 如式 1 所示 KU F 1 式中 K 刚度矩阵 U 位移向量 F 载荷向量 a 足部轮廓 b 足部模型 图 2 建模过程 1 1 几何模型 运用 engauge 软件从 CT 图像上提取出成年男 子足部骨组织及软组织的外形轮廓数据 7 提取时 将足部模型进行适当简化 1 为减少计算量 对 足部剖面视图进行研究 即建立二维模型 2 将 足部韧带与关节简化成线单元 3 忽略骰骨 籽 骨 将足舟骨与楔骨合为一体 提取完轮廓数据后 将其导入建模软件 Solidworks 在二维平面形成一 系列的数据点 将这些数据点按足部轮廓连点成 线 形成如图 2 a 所示的轮廓图 然后连线成面 建立起趾骨 跖骨 楔骨 跟骨 距骨 胫骨的二 维模型 然后在这个基础上将线单元添加到各个骨 关节之间 代替足部的韧带与关节 最终建立起足 部模型 如图 2 b 所示 1 2 单元类型及材料属性 有限元分析时 韧带组织选择 Abaqus 中的两 结点平面线性梁单元 B21 骨组织选择四结点双线 性平面应力四边形单元 CPS4R 由于模型几何形状 不规则 故划分网格时会产生部分三角形单元 CPS3 8 足部骨组织与软组织的单元属性 单元数 量及材料属性如表 1 所示 表 1 足部骨组织与软组织单元类型与材料属性 模型部 件 单元类 型 单元数 量 弹性模量 MPa 泊松 比 骨组织 CPS4R 5072 7300 0 3 CPS3 155 韧带组 织 B21 508 2600 划分网格后模型如图 3 a 所示 第 22 卷 增刊 2 计 算 机 辅 助 工 程 Vol 22 Suppl 2 a 网格划分 b 载荷与边界条件 图 3 计算过程 1 3 载荷与边界条件 本文主要研究人站立时 足部踩在地面所产生 的力学情形 为接近真实的受力情形 本文的负载 条件是给予负荷控制 由于成年男子的体重为 70Kg 故给予负荷控制的方法是在一侧的胫骨上施 加由上往下 350 牛顿的力 在跟骨底部选一点进行 固定约束 约束 U1 U2 UR1 UR2 在趾骨底 部选一点进行位移约束 约束 UR2 如图 3 b 所示 骨组织之间的关节连接 骨组织与软组织之间的连 接用接触定义进行模拟 8 定义接触行为为 bonded 1 4 计算结果 a 应力分布 b 位移分布 图 4 分析结果 定义完后进行分析计算 计算结果如图 4 所示 由图 4 a 知 人站立时足部受力较大部位为各个骨 关节处 其中最大应力位于跖骨上 为 0 919MPa 由图 4 b 知 足部变形最大部位在跖骨与楔骨 变 形量为 1 19mm 这是由于跖骨 楔骨在足部骨骼 中受力较大 支撑较少的缘故 2 不同工况分析 为进一步分析研究足部骨骼受力情况 对足部 施加碾压力 受碾压部位在楔骨上 如图 5A 所示 然后分别模拟人体足部承受 100N 200N 500N 1000N 碾压力时进行比较分析 分析结果如表 2 所 示 表 2 不同工况的最大应力 工况 100N 200N 500N 1000N 最大应 力 2 635MP a 4 774MP a 10 354M Pa 23 572M Pa 建立图 5 a 所示穿过各个骨组织的路径 以研 究足部被碾压时各骨组织受力的具体情况 将路径 上应力值从 Abaqus 中提取出来导入 origin 如图 5 b 所示 a 施加载荷 第 22 卷 增刊 2 计 算 机 辅 助 工 程 Vol 22 Suppl 2 b 路径应力 图 5 变工况分析 从图 5 可以发现 1 足部不同部位所受应 力明显不同 在趾骨与跖骨 跖骨与楔骨 距骨与 跟骨的关节部位 所受应力明显较其他部位较大 跖骨前侧承受整个足部的最大应力 这是由于足弓 下方只有韧带 关节 软组织起支撑作用 而这些 组织的弹性模量远远小于骨组织的缘故 2 不同 工况下 足部应力随之不断增加 足部承受 100N 碾压力时 跖骨的最大应力为 2 635MPa 当足部承 受 1000N 碾压力时 跖骨的最大应力已达到 23 572MPa 由此可知 在足部受到重击 挤压等 情况下极容易受伤 且受伤部位易出现在趾骨上 3 结论 本文对人体足部进行了二维建模并分析了其 受力情况 得到以下结论 1 人正常站立时 足部各个骨组织中 骨关 节及跖骨受力较大 2 人体足部受到碾压时 跖骨极易出现损伤 当足部承受 1000N 碾压力时 跖骨的最大应力已达 到 23 572MPa 3 本文的研究方法为损伤模拟等生物力学问 题提供了一种手段 参考文献 1 杨琳 梁栋柱 钟世镇等 足部生物力学实验研究进展 J 医学综述 2011 17 5 712 714 2 Saro C Johnson DN Martinez De Aragon J Reliability of radiological and cosmetic measurements in hallux valgus J Acta Radiologica 2005 46 8 3 Lyle T Jackson Patrick M Aubin William R Ledoux A Robotic Cadaveric Flatfoot Analysis of Stance Phase J Journal of Biomechanical Engineering 2011 133 5 4 胡辉莹 钟世镇 聂晨阳 人体骨骼生物力学中有限元分析的研究进展 J 广东医学 2007 28 9 1532 1534 5 周宇宁 足部三维有限元模型的建立和跗跖关节准静态生物力学研究 D 河北 河北医科大学 2010 6 凌桂龙 丁金滨 温正等 ANSYS Workbench 13 0 从入门到精通 M 北京 清华大学出版社 2012 114 7 侯曼 郑秀瑗 陈五洲等 用计算机三维重建技术对扁平足形态特征的研究 J 体育科学 2005 25 8 49 52 8 刘展 祖景平 钱英莉等 ABAQUS6 6 基础教程与实例详解 M 北京 中国水利水电出版社 2008 77 104 作者简介作者简介 姓名姓名 周俊杰 周俊杰 性别 男 性别 男 出生年月 出生年月 19741974年