Анализ вибраций человеческого тела с помощью сосредоточенной модели

21/08/2018

Если вы когда-нибудь отправлялись в длительное путешествие на автомобиле, то представляете что это может причинять боль — в прямом смысле. Одной из причин боли в теле после долгих поездок является вибрация всего тела (ВВТ), которая может вызвать усталость, морскую болезнь, в конце концов, серьёзные проблемы со здоровьем. Для проектирования систем, которые снижают такие нежелательные в автомобилях и других средствах передвижения, инженерам необходим эффективный способ визуализации влияния вибраций на человеческое тело. Именно для этого и применяется численное моделирование.

Минимизация вредных вибраций

Под ВВТ мы пониманием любые вибрации, которые воздействуют на человеческое тело. Проведённые в течении многих лет исследования показали потенциальные преимущества ВВТ в области физиотерапии и фитнеса (как показано ниже). Однако, негативные эффекты от ВВТ в других областях применения являются более насущной проблемой. Общие симптомы от воздействия ВВТ включают усталость, боли в спине, а длительное воздействие может привести к проблемам с пищеварением, ухудшению зрения и общего состояния, повреждению костей и многим другим последствиям. Вы можете почувствовать ВВТ во время поездки в транспорте или при использовании мощных электроинструментов и тяжёлого оборудования.

Фотография вибрационных ремней, которые использовались в прошлом столетии.
Вибрационные ремни (также называемые «jiggling machines», т.е. «трясущиеся машины») использовали ВВТ метод для сжигания жира в 50-х годах 20-го века. Автор изображения — Эндрю Кучлинг (Andrew Kuchling). Доступно по лицензии CC BY 2.0 на Flickr Creative Commons.

Чтобы лучше защитить людей от воздействия ВВТ, инженеры могут анализировать влияние вибраций на тело человека на разных частотах. Полноразмерное трехмерное моделирование всего тела довольно затратно с точки зрения вычислительных ресурсов, и поэтому альтернативным методом является упрощенное описание его поведения с помощью сосредоточенной модели. Для моделирования многотельных систем, подобных этой, инженеры могут использовать модуль Динамика многотельных систем, который является расширением для модуля Механика Конструкций в пакете COMSOL Multiphysics®.

Сосредоточенная модель человеческого тела

Приведённая сосредоточенная модель на основе пружин, масс и демпферов состоит из трёх основных частей:

  1. Тело
  2. Обувь
  3. Основание

Сосредоточенная модель человеческого тела
Сосредоточенная модель человеческого тела, обуви и основания.

Для моделирования всех трёх частей можно использовать узлы Mass (Масса), Spring (Пружина) и Damper (Демпфер) в физическом интерфейсе Lumped Mechanical System (Сосредоточенная механическая система).

Для представления тела человека используется одна общая модель с четырьмя телами, которая включает в себя пять пружин, три демпфера и четыре массы. У каждой из этих масс есть собственная степень свободы (DOF). Они подразделяются на:

  • Верхняя жёсткая
  • Верхняя колеблющаяся
  • Нижняя жёсткая
  • Нижняя колеблющаяся

Для моделирования обуви используется одна пружина, демпфер, масса и степень свободы. В простейшем случае можно предположить, что сила, возникающая между обувью и ногами, является линейной функцией деформации пружины (а не более реалистичной нелинейной функцией).

Для моделирования основания используем пружину. Чтобы проверить влияние жёсткости основания на передачу вибраций человеческому телу, будем использовать различные типы основания — мягкое (99 kN/m), твёрдое (359 kN/m) и очень твёрдое (880 kN/m).

Для расчёта воспользуемся анализом на собственные частоты и исследованием в частотной области. С помощью первого исследования мы рассчитаем первые пять собственных частот модели — по одной для каждой степени свободы. Второе позволит определить реакцию тела на заданное возбуждение, приложенное к основанию, и проанализировать смещения и силы, действующие на пружины.

Результаты расчёта частотных характеристик

Результаты расчёта частотных характеристик показывают смещение тела и обуви в ответ на вибрацию на различных частотах. По графику видно, что величина смещения зависит как от частоты, так и от расположения массы. К примеру, на первой собственной частоте верхняя жёсткая и верхняя колеблющаяся массы перемещаются больше, чем нижние. Однако, на второй собственной частоте, наоборот, смещение нижних масс и обуви больше.

График амплитуды смещения человеческого тела, построенный по результатам расчёта сосредоточенной модели.
Зависимости амплитуд смещения обуви (розовый), нижней жёсткой массы (синий), нижней колеблющейся массы (зеленый), верхней жёсткой массы (красный), верхней колеблющейся массы (голубой) от частоты.

Важно определить силы в пружинах, которые «растягиваются» и «сжимаются» от воздействия вибраций. Восстанавливая равновесие, пружины воздействуют на соединённые массы, что со временем может привести к повреждениям. Из графика, вы можете видеть, что (в общем), чем больше частота, тем большее усилие создаёт пружина.

График усилия пружин в теле человека, построенный по результатам расчёта сосредоточенной модели.
График усилия пружин в теле и обуви.

Также можно проверить, как движение передаётся через тело, что является важным параметром при исследовании изоляции вибраций. Результаты отображают коэффициент передачи вертикального смещения нижней колеблющейся массы для трёх значений жёсткости основания. Вблизи первой собственной частоты его величина примерно равна для всех трёх значений жёсткости. Однако, с увеличением частоты, максимальное значение коэффициента для более твёрдого основания смещается вверх по частоте.

График коэффициента передачи вертикального смещения нижней колеблющейся массы для различных значений жесткости основания.
Графики зависимости коэффициента передачи вертикального смещения нижней колеблющейся массы для мягкого (синий), твёрдого (зелёный) и очень твёрдого основания (красный) в зависимости от частоты.

Используя подобную модель, инженеры могут исследовать влияние вибраций на различных частотах на организм человека и улучшать конструкции различных виброизоляционных систем, в т.ч. сидений и автомобильной подвески целиком.

Дальнейшие шаги

Нажмите кнопку ниже, чтобы скачать модель. Вы окажетесь в Галерее приложений, где сможете загрузить пошаговую инструкцию и сам MPH-файл (с действующей лицензией на ПО и с учетной записью COMSOL Access).

Узнайте больше о биомеханическом моделировании:


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ