弹性护膝防护效果预测模型的分析_谢红.pdf

第 8 卷第 2 期2023 年 4 月服装学报Journal of Clothing esearchVol 8No 2Apr2023收稿日期:2022 12 28;修订日期:2023 01 30。基金项目:国家重点专项基金项目(2018YFC2000900)。作者简介:谢 红(1970)，女，教授，硕士生导师。主要研究方向为服装舒适性与功能开发。Email:xiehong99618126 com弹性护膝防护效果预测模型的分析谢 红，刘星辰，沈云萍(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)摘要:通过构建人体膝关节 护膝有限元模型，模拟人体站立和高度屈曲两种姿势，从应力、位移两个维度分析穿着不同弹性护膝对膝关节韧带的影响;采用最大位移差作为弹性护膝防护效果仿真模拟的评判指标，通过有限元法对膝关节内部组织结构间的作用机理进行定量化研究，进而对弹性护膝的防护效果进行预判。经模型测试，得到:1#样本弹性护膝对膝关节的防护效果最差，5#样本最好，样本 1#5#防护效果呈递增趋势，与护膝样本的实际防护效果一致。实验证明，模型可用于弹性护膝防护效果的预测，为弹性护膝的设计提供技术支持。关键词:膝关节 护膝有限元模型;防护效果预测;膝关节屈曲;织物拉伸实验;压力实验中图分类号:TS 941 7文献标志码:A文章编号:2096 1928(2023)02 0108 10Analysis of Protective Effect Prediction Models of Elastic Knee PadsXIE Hong，LIU Xingchen，SHEN Yunping(School of Textiles and Fashion，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China)Abstract:In this chapter，finite element method is used to simulate the protective effect of elastic knee pads，and the influ-ence of different elastic knee pads on knee ligament is analyzed from two dimensions of stress and displacement Themaximum displacement difference was used to evaluate the protective effects of elastic knee pads simulation，in order topredict the protective effect of knee pads made of different fabrics，so as to improve the functional design and production ofelastic knee pads The results showed that the elastic knee pads made by 1#had the worst protective effects，while padsmade by 5#had the best effects The protective effects showed increasing trends from 1#to 5#consistent with the actualprotective effect of the knee pads samples It was proved that the model could be used to predict the protective effects ofelastic knee pads And the study could provide suggestions for elastic knee pads designKey words:finite element model of knee joint and knee pad，prediction of protective effect，knee flexion，fabric stretchingexperiment，pressure test膝关节是人体最大、最复杂的结构，由骨骼、韧带、软组织、肌肉等组成。人体在活动过程中，膝关节高度屈曲或过载，都容易导致膝关节受伤1。常见的膝关节损伤有疲劳损伤、急性损伤等，膝关节急性损伤即瞬间应力过大而导致肌肉、韧带拉伤，甚至骨折。王嘉瑛等2 通过问卷调查发现，样本中下肢损伤的概率约为 50 46%，其中膝关节受伤的发生率约为 26 75%，在下肢关节损伤中位列第一;刘青青等3 对江苏十余所高校的篮球运动员进行调查，结果显示膝关节损伤在运动过程中特别常见，约有 88 57%的篮球运动爱好者在打篮球的过程中膝关节受过不同程度的损伤;HEBAUT A等4 调查发现，在羽毛球运动中，膝关节软骨损伤和半月板损伤占羽毛球运动损伤的 13 3%。可以发现，人体在日常活动中膝关节极易受伤，不管是韧带撕裂，或半月板撕裂、软骨损伤等，都会给人体带来极大的伤害。因此，人们在日常活动或运动中佩戴护膝，可降低疲劳、高度屈曲或过载等不利情况对人体膝关节产生的伤害，并能一定程度上缓解疲劳。目前，针对膝关节防护的研究日益增多，也促进了相关产品的研发。文中运用仿真模拟预测弹性护膝防护的效果，使得弹性护膝功能性表征更加可靠，预测结果可为制定弹性护膝防护效果的新标准提供理论依据。1膝关节几何模型与弹性护膝的构建1 1三维数据的采集采集膝关节影像数据前，对扫描对象的膝关节进行健康检查，确保扫描对象无膝关节疾病和外力损伤。扫描对象为一名成年男性，年龄 25 岁，体质量70 kg，身高175 cm。令扫描对象处于仰卧位5 并让其放松身体，避免出现肌肉紧张。对扫描对象的膝关节进行 MI 磁共振成像断层扫描，扫描时层厚设置为1 mm，间距1 mm，矩阵设为 512 512。共得到 423 张膝关节 MI 断层扫描图片，作为此次三维重建的数据。1 2膝关节模型的三维重建1 2 1膝关节 MI 数据的导入采用MIMICSesearsh 19 0 软件，把 423 张膝关节断层扫描图片导入 MIMICS 中。1 2 2设定阈值模型将阈值设置为(40 533)，使得膝关节骨骼、软组织和韧带分别显影。1 2 3填充孔洞主要包括形态学操作(Morpho-logy Operations Modify)和逐层填充。1 2 4动态区域增长让相似像素的体素连接，再将离散的体素从整体模型中分散开，将需要构建的体素去掉离散体后进行三维重建6。1 2 5计算几何模型构建膝关节股骨、胫骨、腓骨、软组织、韧带独立蒙版后，对膝关节蒙版和几何模型进行预处理。对蒙版逐个进行光滑处理;将Smallest detail 和 Gap closing distance 分别设置为05，06，对膝关节几何模型进行Warp 处理;最终以 STL 格式导出模型。膝关节模型如图1 所示。图 1膝关节几何模型Fig 1Geometry model of the knee joint1 3膝关节模型在 Geomagic 中的优化文中膝关节模型的优化主要用到 GeomagicWarp 2017 的多边形处理模块和形状模块，最后拟合生成 NUBS 曲面。Geomagic Warp 2017 优化过程如图 2 所示。图 2膝关节模型优化流程Fig 2Optimization process of knee joint model1 4弹性护膝壳体的构建在 Solidworks 中根据弹性护膝实物的具体尺寸构建出弹性护膝壳体。根据计算，弹性护膝实物的半径见表 1。弹性护膝壳体具体形状如图 3 所示。表 1弹性护膝壳体的尺寸Tab 1Dimensions of elastic knee pad shell单位:mm织物间隔距离护膝半径058 81555 23053 64552 06049 57548 39047 6织物间隔距离护膝半径10546 212043 413541 915040 616539 218039 219540 4图 3护膝壳体Fig 3Knee pad shell1 5膝关节与护膝模型的处理与装配膝关节与护膝模型的处理与装配在 Solidworks901第 2 期谢 红，等:弹性护膝防护效果预测模型的分析中进行。把 STP 格式的膝关节模型导入 Solid-works，检查模型是否有错误面，若有错误面，则需要对错误面进行愈合、修补，直至模型显示无错误;依次把模型保存成零件格式，选择坐标系原点对膝关节零件进行装配;再采用直接编辑命令对膝关节模型去除干涉，保存成零件。最后，把弹性护膝和膝关节模型进行装配，转换成实体，以 X T 格式导出模型，完成膝关节 护膝三维几何模型的构建。膝关节和弹性护膝模型如图 4 所示。图 4膝关节和弹性护膝装配体Fig 4Knee joint and elastic knee brace assembly1 5 1膝关节 护膝网格划分网格的划分很大程度上决定着有限元分析的精度7。四面体网格对模型的适应性好，容易获得高质量的网格，划分时系统可以自动识别曲率变化大的部位对其进行细化，且能迅速生成网格8。因此文中对采用四面体单元膝关节模型进行网格划分。最终有限元模型网格节点数为 72 417，单元数为 364 684，具体划分节点数和单元数见表 2。表 2有限元模型网格单元和节点数Tab 2Number of finite element model mesh elements andnodes组成节点数单元数软组织33 881175 299弹性护膝1 9201 866股骨16 03485 903胫骨11 52461 303腓骨1 5557 142前交叉韧带2 1409 831后交叉韧带2 90413 822腓侧副韧带9103 020胫侧副韧带1 5496 4981 5 2网格质量的评估网格划分时可以通过预处理对模型网格疏密程度进行预判，再采用合适的网格 尺 寸 对 模 型 进 行 划 分，最 终 采 用 ElementQuality(单元质量)评判网格质量优劣。以胫骨为例，对网格质量进行评判。图 5 分别为网格是 10，5，3，1 mm 的胫骨模型，由图 5 可知，前两种网格(10 mm 和 5 mm)明显过于粗糙，在曲率变化大的部位容易引起应力集中;后两种网格(3 mm 和1 mm)的结构都较为合理，且计算发现其网格尺寸应力大小几乎没有变化。因此，文中采用3 mm的网格划分模型。通过 Element Quality(单元质量)对网格的优劣进行评判，单元质量指数范围为 0 1，越靠近1 表示网格质量越好。胫骨单元质量如图6 所示。由图6 可知胫骨61 303 个单元中有46 711个单元质量指数落于 0 9，其网格质量指数平均值高达0 898 04，虽然也有稀疏几个网格质量指数靠近 0，但整体而言网格质量较好，可用于后期分析。其他模型网格质量评估结果相同。图 5不同尺寸的网格Fig 5Different grid sizes图 6胫骨单元质量Fig 6Tibia unit mass1 5 3接触设置文中共定义了 16 个接触对，根据膝关节解剖学知识和以往文献回顾，将骨骼和软组织、韧带和软组织9、韧带和骨骼之间的接触定义为绑定10。1 5 4载荷与边界条件模拟站立阶段以人体重力的一半350 N 作为载荷;模拟膝关节高度屈曲时，以人体重力的一半350 N 及弹性护膝取样点的压力作为载荷。边界条件主要有两种情况:佩戴弹性护膝时，对胫骨、腓骨、股骨的自由度及软组织上下表面进行约束;屈曲时，对胫骨和腓骨的 6 个自由度进行完全约束，股骨处仅释放屈曲面