奚夢(mèng)瑤“維密第一摔”--仿真能做些什么？
相信這幾天大家都有被維秘大秀刷屏，各種熱點(diǎn)滿天飛！
然而最大的話題大家都知道——奚夢(mèng)瑤走秀摔倒了！摔倒了，倒了。。。
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(guò)，話說(shuō)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(méi)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(lái)說(shuō)，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(lái)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?jī)?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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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solid92單元，韌帶選擇Combination14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(lái)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)行有限元求解。
四、結(jié)論
通過(guò)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(guò)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！穿高跟鞋太久會(huì)形成腳的畸形的。
所以對(duì)鞋子有限元仿真優(yōu)化，還是很有必要的，話我撂這了，做鞋的老板們，做分析，我們?cè)谛?，找了我們說(shuō)不定下回維密姐姐們穿的可能就是你家的鞋子啦！
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