穿着状态下孕妇腰部支持带的有限元模型建立

2019-08-29康雪莲应柏安

西安工程大学学报 2019年4期

康雪莲,应柏安,张欣,齐静

(西安工程大学服装与艺术设计学院,陕西西安 710048)

0 引言

21世纪以来,孕妇腰部疼痛的研究主要集中在缓解孕妇相关腰部的疼痛。FAST的研究表明在怀孕期间,运动、辅助治疗和腰部支持带能够减缓妊娠相关的腰痛[1]。文献[2-5]通过是否穿着腰部支持带，配合锻炼、针灸等手段，分析腰部支持带是否有缓解腰部疼痛的效果。但对腰部支持带的作用存在争议。孕妇腰部支持带是产前保健者推荐的物理疗法之一,也是孕妇较为认可的[6]。如今,人们普遍建议通过穿着孕妇服装,以减少孕期的不适和获得整体较好的生活质量,但这些服装功能性没有得到同行评审的认可或临床实验的证实[7]。一些研究在减少孕妇妊娠相关腰部疼痛中检验了穿着腰部支持带与其他干预措施结合的影响[3],有限的信息提供了腰部支持带与其他措施的使用效果[8-9],但不能获得单独穿着腰部支持带的穿着效果。然而只有少数的研究表明，孕妇腰部支持带在妊娠相关腰痛中具有独立于其他治疗措施的影响[2，10]。

由于研究孕妇腰部支持带是否能够缓解其腰部疼痛时,无法减弱孕妇自身的影响。本文利用有限元方法模拟孕妇穿着腰部支持带的穿着效果,分析腰部支持带的服装功能。利用仿真结果中的位移等结果,对孕妇穿着腰部支持带的性能进行评价。运用有限元分析方法对孕妇腰部支持带的功能性进行说明,同时提供一种功能性的评价方法。

1 有限元模拟

孕妇穿着腰部支持带的部位仅涉及身体上部,故孕妇的模型仅分析身体上半部分。有限元的模拟分析是整个建模过程中的重要部分。

1.1 真实状态

对一款腰部支持带进行分析,此款腰部支持带的穿着过程中有2种不同的接触状态,具体穿着方式如图1，2所示。

图 1 腰部支持带未拉伸Fig.1 The waist support belt before stretching

图 2 腰部支持带拉伸粘结后Fig.2 The waist support belt after stretching

腰部支持带是由一定弹性的面料包覆在人体表面,绕过孕妇腹部呈环状。通过拉伸支持带两侧,使支持带与人体更加贴合,支持带自身通过粘结的方式闭合,成为一个环状，对孕妇腰腹部起到承托作用。

1.2 孕妇穿着腰部支持带的接触分析

仿真孕妇穿着腰部支持带,支持带之间通过拉伸完成粘结。孕妇穿着腰部支持带时按照穿着的运动过程与变形分析分为2个步骤:

(1) 孕妇在穿着腰部支持带时,在接触的同时通过拉伸支持带中的两翼,并拉伸松紧带使支持带两侧能够相互接触。

(2) 腰部支持带自身的相互接触转换为粘结,使其自身成为一个整体并有一定的回复效果;此时支持带呈环状，环绕在孕妇腰腹部。

2 接触模型建立

孕妇与腰部支持带间的放松量为负放松量,即孕妇与腰部支持带间有一定的压力。孕妇穿着腰部支持带时,孕妇通过拉伸腰部支持带使腰部支持带紧扣在一起。不同的腰部支持带对孕妇的受力不同。通过孕妇穿着腰部支持带的接触模型,对孕妇妊娠相关腰部肌肉损伤、疲劳进行必要的防护。

2.1 装配模型

将孕妇与腰部支持带的网格模型导入有限元软件MARC中,为保证其位置的准确性以及仿真结果的优异性,使模拟状态更加符合现实的真实情况,对孕妇与腰部支持带间的位置关系进行微调,在有限元仿真中的孕妇腰部支持带的关系模型如图3所示。装配模型不仅说明孕妇与腰部支持带间的位置关系,同时显示腰部支持带的穿着状态,使得有限元仿真的结果更为符合现实的穿着效果。

2.2 材料定义

现实中的孕妇人体与腰部支持带都具有一定的弹性,因此将孕妇人体与腰部支持带的材料属性均设定为弹性体[11],使仿真效果更符合现实效果。有限元软件中已经设定好的相关材料内容选择与所用材料为较合适的材料选项,并对材料参数的内容做具体的设定。不同的弹性模量代表不同的材料弹性,弹性模量越大,材料的弹性就越小。泊松比在0.2～0.5之间变化不大。孕妇与腰部支持材料的分布如图4所示,孕妇与腰部支持带的参数设置分布见表1，2[12]。

图 4 孕妇与腰部支持带的材料分布Fig.4 Material distribution of pregnant women and waist support belt

部位材料特性参数指标孕妇腹部Mooney材料C01=-12C10=17 孕妇其余部位各向同性杨氏模量1 000泊松比0.3

表 2 腰部支持带的材料参数

2.3 接触关系

孕妇与腰部支持带间的接触为多体多次接触,接触状态变化是非线性类型中一个特殊而重要的方面,是一种高度的非线性行为[13]。接触关系按照模拟分析中的内容,建立2种接触关系。

不同的接触关系控制不同阶段的仿真计算,而整个仿真计算过程中接触关系是连续而必不可少的,只有把握好不同阶段的接触关系,才能实现孕妇穿着腰部支持带的仿真,以达到仿真孕妇穿着腰部支持带的整体效果。孕妇穿着腰部支持带按照接触分析的状态,孕妇与腰部支持带先发生接触,然后腰部支持带自身发生粘结。

2.4 边界条件

边界条件反映了分析对象与外界之间的相互作用,是实际工况条件在有限元模型上的表现形式。只有定义了完整的边界条件,才能计算出需要的计算结果。

孕妇穿着腰部支持带时处于站立状态,为模拟站立状态这一情景对孕妇设定如图5的边界条件:在孕妇的腿部设定边界条件,使其在x,y,z3个方向均没有位移移动,保证在拉伸腰部支持带的过程中人体的腿部不发生位移移动。与颈部的边界条件联合,颈部与腿部在坐标系中的空间坐标不发生变化,能够保证孕妇的站立状态。

腰部支持带的前中设定在x,y,z3个方向均没有位移移动,保证支持带在穿着前后的前中与人体中心相一致,不发生位移变化,其符合真实的穿着过程。腰部支持带的两翼设定y,z2个方向发生一定的位移移动,保证支持带两翼通过位移移动,使得两翼最终的位置与真实的穿着效果基本一致。腰部支持带的紧固带设定y,z2个方向发生一定的位移移动,保证支持带的紧固带部分通过位移移动与左右翼发生接触关系,最终使得腰部支持带成为一个闭合的整体。

2.5 结果设定与验证

有限元仿真中的最后一项内容,其中需要设定输出的仿真结果选项,仿真过程计算所用的方法,以及对仿真内容进行简单初步的运算检查等内容。仿真中输出结果参数主要为法向接触压力、位移等。其中用户自定义内容可以根据仿真计算过程中软件的提示信息对相应的信息做出更改,使得计算能够继续完整,经检查无误后,可进行仿真计算。

3 仿真结果

3.1 仿真结果

经计算获得仿真结果,穿着腰部支持带时,腰部支持带左右两翼的应力变化不同主要是由于支持带的闭合方式不同,支持带主要通过拉伸到另一侧实现闭合,并不是完全的对称,故而存在一定的微小数值差距是合理且符合真实的穿着状况。

腰部支持带的压力图如图6所示。从图6可以看出, 当孕妇仅穿着腰部支持带时, 腰部支持带的前中的压力值为0.95 kPa, 腰侧部位较大为1.4 kPa, 闭合部位与两翼连接内的压力较小, 松紧闭合处稍大, 其余部位的力值在 1.4～1.8 kPa 间, 后腰部分的较大。

孕妇穿着腰部支持带时,孕妇的位移结果如图7所示。从图7可以看出，在腰部支持带作用下,孕妇在纵向，即x方向的位移变化,孕妇腹部的位移有些许的上移变化,位移在0.005～0.011 mm之间,说明腰部支持带能够对孕妇腹部起到承托作用。孕妇腰部的位移变化是向下约为0.012～0.035 mm,帮助减缓孕妇腰部肌肉的变化。

图 6 腰部支持带的压力图Fig.6 Force of waist support belt

图 7 孕妇的位移结果Fig.7 Displacement of pregnant women

3.2 有限元模型验证

穿着支持带时,选取6个点(见图2)进行压力值测试,压力测试结果与仿真结果的对比如图8所示。从图8可以看出，在数值上,压力测试的结果较仿真结果略大,但是整体的压力值曲线变化趋势一致。点1的压力值约为1 kPa,点2的压力值约为2 kPa,除去点5,其余点的压力值均在1.5～1.9 kPa之间。说明孕妇穿着腰部支持带的仿真结果与压力测试结果的趋势基本一致。

以压力测试的结果为标准,对仿真结果与压力测试结果的差值进行分析。点1的绝对差值为0.083,相对差值为7.76%。点2的绝对差值为0.127,相对差值为5.96%。点3的绝对差值为0.136,相对差值为8.72%。点4的绝对差值为0.126,相对差值为7.00%。点5的绝对差值为0.868,相对差值为94.55%。点6的绝对差值为0.269,相对差值为14.64%。其中,以点5的误差最大,其余点的差值较小,仿真结果与压力测试结果的数值基本相符。