穿著狀態(tài)下孕婦腰部支持帶的有限元模型建立

康雪蓮,應(yīng)柏安,張 欣,齊 靜

(西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

21世紀(jì)以來,孕婦腰部疼痛的研究主要集中在緩解孕婦相關(guān)腰部的疼痛。FAST的研究表明在懷孕期間,運(yùn)動(dòng)、輔助治療和腰部支持帶能夠減緩妊娠相關(guān)的腰痛[1]。文獻(xiàn)[2-5]通過是否穿著腰部支持帶，配合鍛煉、針灸等手段，分析腰部支持帶是否有緩解腰部疼痛的效果。但對(duì)腰部支持帶的作用存在爭(zhēng)議。孕婦腰部支持帶是產(chǎn)前保健者推薦的物理療法之一,也是孕婦較為認(rèn)可的[6]。如今,人們普遍建議通過穿著孕婦服裝,以減少孕期的不適和獲得整體較好的生活質(zhì)量,但這些服裝功能性沒有得到同行評(píng)審的認(rèn)可或臨床實(shí)驗(yàn)的證實(shí)[7]。一些研究在減少孕婦妊娠相關(guān)腰部疼痛中檢驗(yàn)了穿著腰部支持帶與其他干預(yù)措施結(jié)合的影響[3],有限的信息提供了腰部支持帶與其他措施的使用效果[8-9],但不能獲得單獨(dú)穿著腰部支持帶的穿著效果。然而只有少數(shù)的研究表明，孕婦腰部支持帶在妊娠相關(guān)腰痛中具有獨(dú)立于其他治療措施的影響[2，10]。

由于研究孕婦腰部支持帶是否能夠緩解其腰部疼痛時(shí),無法減弱孕婦自身的影響。本文利用有限元方法模擬孕婦穿著腰部支持帶的穿著效果,分析腰部支持帶的服裝功能。利用仿真結(jié)果中的位移等結(jié)果,對(duì)孕婦穿著腰部支持帶的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。運(yùn)用有限元分析方法對(duì)孕婦腰部支持帶的功能性進(jìn)行說明,同時(shí)提供一種功能性的評(píng)價(jià)方法。

1 有限元模擬

孕婦穿著腰部支持帶的部位僅涉及身體上部,故孕婦的模型僅分析身體上半部分。有限元的模擬分析是整個(gè)建模過程中的重要部分。

1.1 真實(shí)狀態(tài)

對(duì)一款腰部支持帶進(jìn)行分析,此款腰部支持帶的穿著過程中有2種不同的接觸狀態(tài),具體穿著方式如圖1，2所示。

圖 1 腰部支持帶未拉伸Fig.1 The waist support belt before stretching

圖 2 腰部支持帶拉伸粘結(jié)后Fig.2 The waist support belt after stretching

腰部支持帶是由一定彈性的面料包覆在人體表面,繞過孕婦腹部呈環(huán)狀。通過拉伸支持帶兩側(cè),使支持帶與人體更加貼合,支持帶自身通過粘結(jié)的方式閉合,成為一個(gè)環(huán)狀，對(duì)孕婦腰腹部起到承托作用。

1.2 孕婦穿著腰部支持帶的接觸分析

仿真孕婦穿著腰部支持帶,支持帶之間通過拉伸完成粘結(jié)。孕婦穿著腰部支持帶時(shí)按照穿著的運(yùn)動(dòng)過程與變形分析分為2個(gè)步驟:

(1) 孕婦在穿著腰部支持帶時(shí),在接觸的同時(shí)通過拉伸支持帶中的兩翼,并拉伸松緊帶使支持帶兩側(cè)能夠相互接觸。

(2) 腰部支持帶自身的相互接觸轉(zhuǎn)換為粘結(jié),使其自身成為一個(gè)整體并有一定的回復(fù)效果;此時(shí)支持帶呈環(huán)狀，環(huán)繞在孕婦腰腹部。

2 接觸模型建立

孕婦與腰部支持帶間的放松量為負(fù)放松量,即孕婦與腰部支持帶間有一定的壓力。孕婦穿著腰部支持帶時(shí),孕婦通過拉伸腰部支持帶使腰部支持帶緊扣在一起。不同的腰部支持帶對(duì)孕婦的受力不同。通過孕婦穿著腰部支持帶的接觸模型,對(duì)孕婦妊娠相關(guān)腰部肌肉損傷、疲勞進(jìn)行必要的防護(hù)。

2.1 裝配模型

將孕婦與腰部支持帶的網(wǎng)格模型導(dǎo)入有限元軟件MARC中,為保證其位置的準(zhǔn)確性以及仿真結(jié)果的優(yōu)異性,使模擬狀態(tài)更加符合現(xiàn)實(shí)的真實(shí)情況,對(duì)孕婦與腰部支持帶間的位置關(guān)系進(jìn)行微調(diào),在有限元仿真中的孕婦腰部支持帶的關(guān)系模型如圖3所示。裝配模型不僅說明孕婦與腰部支持帶間的位置關(guān)系,同時(shí)顯示腰部支持帶的穿著狀態(tài),使得有限元仿真的結(jié)果更為符合現(xiàn)實(shí)的穿著效果。

2.2 材料定義

現(xiàn)實(shí)中的孕婦人體與腰部支持帶都具有一定的彈性,因此將孕婦人體與腰部支持帶的材料屬性均設(shè)定為彈性體[11],使仿真效果更符合現(xiàn)實(shí)效果。有限元軟件中已經(jīng)設(shè)定好的相關(guān)材料內(nèi)容選擇與所用材料為較合適的材料選項(xiàng),并對(duì)材料參數(shù)的內(nèi)容做具體的設(shè)定。不同的彈性模量代表不同的材料彈性,彈性模量越大,材料的彈性就越小。泊松比在0.2～0.5之間變化不大。孕婦與腰部支持材料的分布如圖4所示,孕婦與腰部支持帶的參數(shù)設(shè)置分布見表1，2[12]。

圖 4 孕婦與腰部支持帶的材料分布Fig.4 Material distribution of pregnant women and waist support belt

部位材料特性參數(shù)指標(biāo) 孕婦腹部Mooney材料C01=-12C10=17 孕婦其余部位各向同性楊氏模量1 000泊松比0.3

表 2 腰部支持帶的材料參數(shù)

2.3 接觸關(guān)系

孕婦與腰部支持帶間的接觸為多體多次接觸,接觸狀態(tài)變化是非線性類型中一個(gè)特殊而重要的方面,是一種高度的非線性行為[13]。接觸關(guān)系按照模擬分析中的內(nèi)容,建立2種接觸關(guān)系。

不同的接觸關(guān)系控制不同階段的仿真計(jì)算,而整個(gè)仿真計(jì)算過程中接觸關(guān)系是連續(xù)而必不可少的,只有把握好不同階段的接觸關(guān)系,才能實(shí)現(xiàn)孕婦穿著腰部支持帶的仿真,以達(dá)到仿真孕婦穿著腰部支持帶的整體效果。孕婦穿著腰部支持帶按照接觸分析的狀態(tài),孕婦與腰部支持帶先發(fā)生接觸,然后腰部支持帶自身發(fā)生粘結(jié)。

2.4 邊界條件

邊界條件反映了分析對(duì)象與外界之間的相互作用,是實(shí)際工況條件在有限元模型上的表現(xiàn)形式。只有定義了完整的邊界條件,才能計(jì)算出需要的計(jì)算結(jié)果。

孕婦穿著腰部支持帶時(shí)處于站立狀態(tài),為模擬站立狀態(tài)這一情景對(duì)孕婦設(shè)定如圖5的邊界條件:在孕婦的腿部設(shè)定邊界條件,使其在x,y,z3個(gè)方向均沒有位移移動(dòng),保證在拉伸腰部支持帶的過程中人體的腿部不發(fā)生位移移動(dòng)。與頸部的邊界條件聯(lián)合,頸部與腿部在坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)不發(fā)生變化,能夠保證孕婦的站立狀態(tài)。

腰部支持帶的前中設(shè)定在x,y,z3個(gè)方向均沒有位移移動(dòng),保證支持帶在穿著前后的前中與人體中心相一致,不發(fā)生位移變化,其符合真實(shí)的穿著過程。腰部支持帶的兩翼設(shè)定y,z2個(gè)方向發(fā)生一定的位移移動(dòng),保證支持帶兩翼通過位移移動(dòng),使得兩翼最終的位置與真實(shí)的穿著效果基本一致。腰部支持帶的緊固帶設(shè)定y,z2個(gè)方向發(fā)生一定的位移移動(dòng),保證支持帶的緊固帶部分通過位移移動(dòng)與左右翼發(fā)生接觸關(guān)系,最終使得腰部支持帶成為一個(gè)閉合的整體。

2.5 結(jié)果設(shè)定與驗(yàn)證

有限元仿真中的最后一項(xiàng)內(nèi)容,其中需要設(shè)定輸出的仿真結(jié)果選項(xiàng),仿真過程計(jì)算所用的方法,以及對(duì)仿真內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單初步的運(yùn)算檢查等內(nèi)容。仿真中輸出結(jié)果參數(shù)主要為法向接觸壓力、位移等。其中用戶自定義內(nèi)容可以根據(jù)仿真計(jì)算過程中軟件的提示信息對(duì)相應(yīng)的信息做出更改,使得計(jì)算能夠繼續(xù)完整,經(jīng)檢查無誤后,可進(jìn)行仿真計(jì)算。

3 仿真結(jié)果

3.1 仿真結(jié)果

經(jīng)計(jì)算獲得仿真結(jié)果,穿著腰部支持帶時(shí),腰部支持帶左右兩翼的應(yīng)力變化不同主要是由于支持帶的閉合方式不同,支持帶主要通過拉伸到另一側(cè)實(shí)現(xiàn)閉合,并不是完全的對(duì)稱,故而存在一定的微小數(shù)值差距是合理且符合真實(shí)的穿著狀況。

腰部支持帶的壓力圖如圖6所示。 從圖6可以看出, 當(dāng)孕婦僅穿著腰部支持帶時(shí), 腰部支持帶的前中的壓力值為0.95 kPa, 腰側(cè)部位較大為1.4 kPa, 閉合部位與兩翼連接內(nèi)的壓力較小, 松緊閉合處稍大, 其余部位的力值在 1.4～1.8 kPa 間, 后腰部分的較大。

孕婦穿著腰部支持帶時(shí),孕婦的位移結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，在腰部支持帶作用下,孕婦在縱向，即x方向的位移變化,孕婦腹部的位移有些許的上移變化,位移在0.005～0.011 mm之間,說明腰部支持帶能夠?qū)υ袐D腹部起到承托作用。孕婦腰部的位移變化是向下約為0.012～0.035 mm,幫助減緩孕婦腰部肌肉的變化。

圖 6 腰部支持帶的壓力圖Fig.6 Force of waist support belt

圖 7 孕婦的位移結(jié)果Fig.7 Displacement of pregnant women

3.2 有限元模型驗(yàn)證

穿著支持帶時(shí),選取6個(gè)點(diǎn)(見圖2)進(jìn)行壓力值測(cè)試,壓力測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖8所示。從圖8可以看出，在數(shù)值上,壓力測(cè)試的結(jié)果較仿真結(jié)果略大,但是整體的壓力值曲線變化趨勢(shì)一致。點(diǎn)1的壓力值約為1 kPa,點(diǎn)2的壓力值約為2 kPa,除去點(diǎn)5,其余點(diǎn)的壓力值均在1.5～1.9 kPa之間。說明孕婦穿著腰部支持帶的仿真結(jié)果與壓力測(cè)試結(jié)果的趨勢(shì)基本一致。

以壓力測(cè)試的結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)仿真結(jié)果與壓力測(cè)試結(jié)果的差值進(jìn)行分析。點(diǎn)1的絕對(duì)差值為0.083,相對(duì)差值為7.76%。點(diǎn)2的絕對(duì)差值為0.127,相對(duì)差值為5.96%。點(diǎn)3的絕對(duì)差值為0.136,相對(duì)差值為8.72%。點(diǎn)4的絕對(duì)差值為0.126,相對(duì)差值為7.00%。點(diǎn)5的絕對(duì)差值為0.868,相對(duì)差值為94.55%。點(diǎn)6的絕對(duì)差值為0.269,相對(duì)差值為14.64%。其中,以點(diǎn)5的誤差最大,其余點(diǎn)的差值較小,仿真結(jié)果與壓力測(cè)試結(jié)果的數(shù)值基本相符。

圖 8 穿著腰部支持帶的壓力對(duì)比圖Fig.8 Comparison of pressure in wearingwaist support belt

通過壓力測(cè)試與仿真結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn),點(diǎn)5的壓力值差異較大,其余值差異較小。點(diǎn)5與點(diǎn)6所在的前后位置不在同一水平線,是由于建模部分沒有區(qū)分前后的位置關(guān)系。整體仿真力值與壓力測(cè)試壓力值的誤差較小,壓力圖中不同點(diǎn)的壓力值趨勢(shì)一致,說明孕婦穿著支持帶的模型有效。

4 結(jié) 論

(1) 孕婦穿著腰部支持帶的現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于腰部支持帶的單獨(dú)穿著效果研究較少,而有限元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)孕婦穿著腰部支持帶的獨(dú)立研究。

(2) 通過仿真模擬孕婦穿著腰部支持帶的狀態(tài),構(gòu)建孕婦穿著腰部支持帶的有限元接觸模型并進(jìn)行仿真計(jì)算,獲得腰部支持帶的壓力分布、孕婦的位移變化等模擬結(jié)果。

(3) 通過壓力測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證有限元模型有效。經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，孕婦腰部支持帶對(duì)于緩解孕婦腰部疼痛具有一定的作用。通過建立相應(yīng)的有限元模型,為研究穿著多件服裝的人體壓力舒適性提供了一種有效的方法。