研究人体集总模型中的振动

Bridget Paulus 2018年 8月 21日

如果你经历过自驾旅行,就会知道它带来的不仅是欢乐的记忆,还有身体上的酸痛。长时间驾驶之后身体疼痛的罪魁祸首之一是全身振动(WBV),它可能导致疲劳、晕车甚至严重的健康问题。为了给汽车和其他应用设计减少 WBV 的系统,工程师需要高效地分析人体的振动效果。仿真可以助工程师一臂之力。

将负面振动减到最少

全身振动指传递到人体的任何振动。多年研究证明了物理治疗和健身器械(比如下图中的振动腰带)产生的振动对健康有积极影响,但在其他领域产生的消极的副作用同时成为了更亟待解决的问题。全身振动的常见症状包括疲劳、背痛、晕动病,长时间振动还可能导致消化问题、视觉和平衡障碍、骨骼损伤等。当驾驶汽车或使用电动工具和重型装备时,人们都能感觉到全身振动。

健身用振动腰带。
利用全身振动燃烧约 1950 脂肪的振动腰带(也称作“振动器”)。图片由 Andrew Kuchling 拍摄,已获 CC BY 2.0 授权,并通过 Flickr Creative Commons 分享。

为了更好地防范全身振动,工程师们分析了不同频率的振动对人体的影响。模拟整个人体的反应相当耗费计算资源,一种替代方法是通过集总模型来简化行为描述。为了模拟这样的多体系统,工程师们可以使用“多体动力学模块”,它是“结构力学模块”和 COMSOL Multiphysics® 软件的附加产品。

人体集总建模

本文所示的集总模型是弹簧-质量-阻尼器模型,包括三个主要部分:

  1. 人体
  2. 鞋子
  3. 地面

人体集总模型。
人体、鞋子和地面的集总模型。

这三个部分都可以使用集总机械系统接口的质量弹簧阻尼器 节点进行建模。

四体模型是表征人体的常用模型,它包括五个弹簧、一个阻尼器和四个质量。这些质量各自拥有自由度(DOF),分类如下:

  • 上部刚性
  • 上部颤动
  • 下部刚性
  • 下部颤动

鞋中有一个弹簧、阻尼器、质量和 DOF。为了简单起见,可以假定鞋子和脚之间的力是弹簧变形的线性函数(而不是更符合现实的非线性函数)。

地面使用弹簧进行建模。为了检验地面刚度如何影响振动向人体的传递过程,可以测试不同类型的土壤,比如软土(99 kN/m)、硬土(359 kN/m)和非常坚硬的土地(880 kN/m)。

为了求解模型,特征频率和频率响应分析都要进行。特征频率研究非常简单,只需计算模型的前五个固有频率——每个 DOF 执行一次。频率响应分析计算当对地面施加给定的基础激励时的人体响应,从而对诸如位移和弹簧力等因素进行分析。

评估频率响应结果

频率响应研究结果展示了不同频率下人体和鞋子对振动的响应。可以看到,位移量取决于频率和质量的位置。比如,在第一固有频率处,上部刚性和颤动质量比下部质量的位移更大,在第二固有频率处,下部质量和鞋子的位移则相对更大。

表征为人体集总模型的人体内部的位移大小一维绘图。
下部刚性质量(深蓝色)、下部颤动质量(绿色)、上部刚性质量(红色)、上部颤动质量(淡蓝色)和鞋子(粉红色)在一定频率范围内的位移大小。

确定弹簧内部的力很重要,振动迫使弹簧“拉伸”或“压缩”。弹簧会对相连的质量施加力,使它们恢复到平衡状态,时间一长将造成损坏。可以看到,一般来说频率越高,弹簧产生的力越大。

表征为人体集总模型的人体内部的弹簧力一维绘图。
人体和鞋子内的弹簧力。

您还可以研究运动是如何通过人体传递的,这是隔离振动的关键过程。结果展示了对于三种土壤刚性,下部颤动质量的垂直位移传递率。在第一固有频率附近,所有土壤的传递量几乎同时达到峰值。不过,随着频率增加,土壤越硬,峰值出现得越晚。

不同类型的土壤对应的下部颤动质量的垂直位移传递率。
在软土壤(蓝色)、硬土壤(绿色)和非常硬的土壤(红色)条件中,下部颤动质量的垂直位移传递率。

利用此模型,工程师们可以检测人体在不同频率下的振动效果,并改进各种隔振系统的设计,比如座椅和汽车悬架系统

后续操作

点击下方按钮尝试操作该模型。您将进入“案例下载”页面,下载文档和 MPH 文件(需要有效的软件许可证和 COMSOL Access 账号)。

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