1、毕业论文文献综述工程力学鞋受力的有限元分析1前言鞋子作为人们日常生活不可缺少的装备之一，其重要性不言而谕。当人在行走或者运动的过程中，鞋子作为足部和地面（外界）接触的缓冲层，起到保护足部甚至提升运动能力的作用。特别的，对于一些病人，如患有糖尿病和周围神经病变，或者做过跖骨截骨手术以及其他足部手术的人，鞋子的设计尤其重要，这可以帮助他们预防足部并发症的产生。不管怎样，减小峰值足底压力，是鞋设计的一个主要原则。而鞋大底、中底和鞋垫的材料、形状、厚度是影响峰值足底压力降低的几个因素。过去，在有限元分析法完善之前，人们只能根据临床实践和实验的统计数据来进行鞋的设计；而如今有限元分析方法日渐成熟，它能提
2、供一种有效的计算框架来研究各种设计的表现，免去了进行实验的种种限制和不方便。2有限元分析简介21用PROE软件建模随着科学技术的不断发展和进步，生产与加工自动化的观念逐渐深入人心。生产与加工过程离不开产品的设计与开发，在生产自动化大幅度提升生产效率的同时，设计自动化也迎头赶上，设计者扔掉手中的图板从手工绘图阶段解放出来，逐渐步入了以计算机辅助设计为特色的信息时代，也就是人们常说的CAD时代，很难想象没有功能强大的三维设计软件如何能够满足工程设计中复杂的设计要求。鞋子的设计，涉及到很多曲面的建模，而PROE软件拥有强大的曲面建模功能，因此许多鞋子的设计公司用到了PROE进行鞋子模型的建立。22有
3、限元法以及ANSYS的简单介绍有限元法（FEM，FINITEELEMENTMETHOD）是一种结构分析的方法，其基本思想是将连续的求解区域离散为一组由有限个单元组成并按一定方式相互连接在一起的单元组合体来加以分析。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛地用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。ANSYS不仅支持用户直接创建模型，也支持与其他CAD软件进行图形传递。3国内外研究现状学者JINRAECHO，SEUNGBUMPARK1通过在人体运动学和生物力学考虑在
4、内,研究如何提高运动能力鞋的发展。因为体育游戏的快速发展已经改变了鞋子的角色，从简单的保护人的足部，到提高运动能力。学者RICARDOLACTIS,LILIANABVENTURA2建立起病人特异的足部第二辐列的有限元模型，用来研究跖骨头上足部压力的峰值（PPP）在TCI设计上的影响。并基于有限元分析的结果，通过在高压力区域附近插入直径为4MM的，柔软材质的圆柱形鞋栓，一个典型的全接触插入就能够改善。通过比较用有限元方法获得的数值结果，和在一只鞋子和TCI条件下跖骨头区域实际测量的压力分布，数值模型的确认就处理完成了。学者WANJINCHUNG,SUNGHWANKIM,KIHOONSHIN3研究
5、了将鞋面三维曲面平面展开的新方法。首先将三维曲面刻成三角形单元的小面，然后粗略地铺放在二维平面上。接着，用优化技术重新定位单元节点，以使几何误差最小化。即使在单元用几何误差最小化的方法改进以后，由此产生的二维形状仍有一些应变能，需要用松弛过程使之减小。因此，这些单元作为初始猜测用来进一步优化，在这个过程中用有限元逆解法使总应变能最小化。这个方法已经被实施作为鞋的设计系统的模块，通过这个模块一个标准的鞋能够给设计出来，并使制造加工更加地精确和迅速。学者HROUHANI,XCREVOISIER,JFAVRE,KAMINIAN4通过将47个实验对象分成四组3个病人组和1个控制组，测出6个参数初期接触
6、时间，晚期接触时间，最大力的时间，峰值压力时间，最大力和峰值压力。研究发现当病人推迟脚跟离地的情况下，在前脚掌产生了最大力，在脚踝产生了最大扭矩。同样基于最大力和峰值压力，在足部的10个区域内，经过脚踝复位后，一些参数提升了，另一些参数却仍不正常。学者MATTHEWANURSE,BENNOMNIGG5通过招募15个实验对象，实验获得压力和振动阀值，来量化触觉和振动的灵敏度阀值得关系。试验结果支持身体可以察觉外部刺激，并对其作出反应。学者REINHARDSCHUH,HANSJOERGTRNKA,ANTONSABO6通过研究穿上通常手术后用来恢复的5种不同类型的鞋子后的应力降低有效度，来确定足底的
7、压力分布，以及鞋子的磨损特性，从来可以得到减少前脚掌区域应力的方法。考虑到足底压力分布和主观的磨损特性，RATHGEBER改良模型最好，所以它被用来作近一步的改良。在脚趾区域，增加高弹性及有弹性材料前脚掌压力减小了，磨损特性也改良了。学者AHMETERDEMIR,JEFFREYJSAUCERMAN7基于2维的计算机模拟，通过在鞋的中底中放入36种鞋栓，来研究释放在突出的跖骨头下的局部载荷。学者STEVENGOSKEA,AHMETERDEMIR9基于有限元分析的方法，进行鞋垫设计，来改善足后跟疼痛的情况。本研究用二维平面应变有限元来研究27种鞋垫设计（3种厚度，3种材料，3种整合度）。得出结论，
8、鞋垫的整合度是最重要的设计变量。而压力峰值对鞋垫材料的选择相对不是很敏感。学者JASONTAKMANCHEUNG,MINGZHANG10使用基于统计的有限元方法，来进行足部矫正器压力释放的参数设计。在本文中，有限元法和田口法被用来鉴定5种不同设计因素（拱形，鞋垫和中底的厚度、鞋垫和中底的刚度）对于足部矫正器在峰值足底压力释放上的灵敏度。从有限元分析预测中，学者发现定制模型的形状是减少峰值足底压力的最重要设计因素。4小结（阐述该课题的发展动向和趋势）随着鞋科技的进步发展，鞋的设计与生物力学的研究越来越紧密。比如运动鞋的设计，其核心技术主要体现在材料和结构方面，材料决定性能，结构决定功能。因此对于
9、鞋的设计来说，高新材料的研究越来越重要。另一方面，对于鞋的结构设计，有限元分析显示出越来越明显的优势。当有限元方法用于生物力学研究时，鞋受力的边界条件，以及材料的不均匀性便得到了解决。参考文献1JINRAECHO，SEUNGBUMPARKLANDINGIMPACTANALYSISOFSPORTSSHOESUSING3DCOUPLEDFOOTSHOEFINITEELEMENTMODELJJOURNALOFMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY,232009258325912RICARDOLACTIS,LILIANABVENTURAMULTIPLUGINSOLEDESIGNT
10、OREDUCEPEAKPLANTARPRESSUREONTHEDIABETICFOOTDURINGWALKINGJINTERNATIONALFEDERATIONFORMEDICALANDBIOLOGICALENGINEERING,2008463633713WANJINCHUNG1,SUNGHWANKIM2,KIHOONSHIN3AMETHODFORPLANARDEVELOPMENTOF3DSURFACESINSHOEPATTERNDESIGNJJOURNALOFMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY,222008151015194HROUHANI,XCREVOISIER,
11、JFAVRE,KAMINIANOUTCOMEEVALUATIONOFANKLEOSTEOARTHRITISTREATMENTSPLANTARPRESSUREANALYSISDURINGRELATIVELYLONGDISTANCEWALKINGJCLINICALBIOMECHANICS,2620113974045MATTHEWANURSE,BENNOMNIGGQUANTIFYINGARELATIONSHIPBETWEENTACTILEANDVIBRATIONSENSITIVITYOFTHEHUMANFOOTWITHPLANTARPRESSUREDISTRIBUTIONSDURINGGAITJCL
12、INICALBIOMECHANICS,1419996676726REINHARDSCHUH,HANSJOERGTRNKA,ANTONSABOBIOMECHANICSOFPOSTOPERATIVESHOESPLANTARPRESSUREDISTRIBUTION,WEARINGCHARACTERISTICSANDDESIGNCRITERIAAPRELIMINARYSTUDYJARCHORTHOPTRAUMASURG,20111311972037AHMETERDEMIR,JEFFREYJSAUCERMANLOCALPLANTARPRESSURERELIEFINTHERAPEUTICFOOTWEARD
13、ESIGNGUIDELINESFROMFINITEELEMENTMODELSJJOURNALOFBIOMECHANICS,382005179818068XIAOQUNDAI,YILI,MINGZHANGEFFECTOFSOCKONBIOMECHANICALRESPONSESOFFOOTDURINGWALKINGJCLINICALBIOMECHANICS,2120063143219STEVENGOSKEA,AHMETERDEMIRREDUCTIONOFPLANTARHEELPRESSURESINSOLEDESIGNUSINGFINITEELEMENTANALYSISJJOURNALOFBIOMECHANICS,3920062363237010JASONTAKMANCHEUNG,MINGZHANGPARAMETRICDESIGNOFPRESSURERELIEVINGFOOTORTHOSISUSINGSTATISTICSBASEDFINITEELEMENTMETHODJMEDICALENGINEERINGPHYSICS302008269277
