不同触地模式慢跑的足踝有限元分析

发布时间：2021-04-03 01:05

　　目的通过运动学、动力学分析结合有限元模拟的方法,探究不同慢跑触地模式下足中骨、距上关节面软骨、足底的应力分布特征及足底筋膜与踝关节韧带的受力情况。方法采集8名研究对象在后足触地（rearfoot strike,RFS）和非后足触地（non-rearfoot strike,NRFS）模式下慢跑的运动学和动力学数据,选取1例踝关节活动范围在总体1倍标准差范围内的数据作为有限元分析的边界条件和载荷,建立三维足踝有限元模型,并予以验证。对2种触地模式下足踝结构进行有限元模拟,分析在不同触地模式中踝关节软骨的接触应力、韧带拉力、足底压力及骨的应力分布。结果距上关节面软骨最大接触应力出现在NRFS的缓冲最低点,峰值为7.41 MPa。在RFS冲击时刻,距上关节面软骨接触应力最小,峰值为2.47 MPa。在RFS冲击时刻,足底压力峰值分布于足底的足跟后方区域,2种模式下足底压力峰值都出现在最大垂直地反力（ground reaction force,GRF）时刻。缓冲最低点的第1主应力最大峰值均出现在舟骨,RFS中更明显。NRFS模式下足底筋膜受力大于RFS模式。结论 2种模式距上关节面软骨上接触应力... 

【文章来源】：上海体育学院学报. 2020,44(12)北大核心CSSCI

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【部分图文】：

足踝有限元模型与加载

(3）边界条件与载荷。选取1名志愿者的动力学和运动学数据进行有限元模拟，该志愿者踝关节角度在样本（n=8）平均值1倍标准差范围内。由于研究中动力学数据的采集使用了更高的采样频率，为保证时刻划分准确，有限元分析的加载时刻通过GRF的曲线特征结合膝关节角度变化选取。分别选取RFS和NRFS中a、b、c、d、e 5个时刻代表触地过程中的冲击、缓冲和蹬伸进行有限元分析。如图4所示：a时刻为RFS垂直GRF的第一峰值时刻，代表RFS时足踝受到冲击的时刻；b、d时刻分别为RFS和NRFS的缓冲最低点；c、e时刻分别为RFS和NRFS的蹬伸最大垂直GRF时刻。其中，边界条件为限制模型中胫骨、腓骨上端的6个自由度，载荷为施加GRF从模型地板下方向足部压力中心点位置施加，跟腱力以集中力的形式施加在跟骨结节上方（图1）。(4）有限元分析计算。边界条件与载荷设定完成后，对各个状态下足踝有限元模型进行计算，在Abaqus 6.14软件中采用通用静力学算法完成。计算完成后提取计算结果中骨结构的米塞斯（Von Mises）应力，关节面软骨和足底软组织的接触应力以及韧带、足底筋膜truss单元上的拉力进行分析。

距上关节面软骨上的接触应力分布总体趋势呈现外、后侧高于前、内侧的分布规律。其中：关节软骨面最大接触应力出现在NRFS的缓冲最低点（d时刻），接触应力峰值为7.41 MPa；在RFS模式的冲击时刻（a时刻），距上关节面软骨接触应力最小，峰值为2.47 MPa;NRFS的缓冲最低点（d时刻）距上关节接触应力分布较其他时刻更靠近关节面的前部区域。距上关节面软骨接触应力及分布见图5。图4 有限元分析选取的时刻


本文编号：3116307