基于Abaqus的足部有限元分析摘要：通过Engauge软件从CT图像上提取出成年男子足部轮廓数据，根据得到的数据运用SolidWorks建立足部模型，然后利用Abaqus进行应力分析•分析人体站立及承受碾压力时足部受力情况，结果表明：该成年男子站立时最大应力及变形均在跖骨，应力为0.919MPa,变形为1.19mm；足部承受100N碾压力时，跖骨的最大应力为2.635MPa,碾压力为1000N时，跖骨的最大应力已达到23.572MP比人体足部受到碾压时，跖骨极易出现损伤.关键词：足部；应力分析；跖骨；有限元；Abaqus中图分类号：R6；TB115.1文献标志码：B引言随着计算机技术的迅速发展，近年来，有限元法被广泛应用于生物力学的研究中•作为牛物力学重要的组成部分，广大学者对足部牛物力学进行大量研究，如踝关节损伤［1］、拇指外翻［2］和扁平足［3］等足部疾病的生物力学研究.冃前，对足部生物力学的研究大多针对离体标本或人工模型，不能量化观察韧带和关节上的力，也难以得到骨骼内部的受力情况，造成研究成果不全面［4］•有限元法的引进，可以解决这些不能直接在人体上操作的技术难题.人类足部的构造分为3个部分，即前足部、中足部和后足部•如图1所示，前足部为趾骨，人在步行时，以前足部抓住地面，让身体前进•中足部由第一至第五跖骨形成，各跖骨都由韧带与骨头部相结合；体质量加上去后，足弓会有某种程度的减少，因此足弓是具有弹力的骨•后足部由附骨组成，由跟骨、距骨、舟骨，第一、第二、第三楔骨以及骰骨等7支骨再加上强度很高的韧带所构成，对人类直立时安定感的控制起重耍作用.[5]本文主要致力于研究人体足部站立及在碾压工况下足部的受力情况.(a)足部骨组织(b)足部韧带与关节图1足部结构1CAE分析运用有限元软件Abaqus对足部进行应力分析，研究足部骨组织的受力情况•先将载荷与边界条件施加到足部模型上，然后求解静力分析的控制方程，即可得到足部模型在各节点的位移和应力•静力分析控制方程[6]如下KU二F(1)式中：K为刚度矩阵；U为位移向量；F为载荷向量.1.1几何模型运用Engauge软件从CT图像上提取出某成年男子足部骨组织和软组织的外形轮廓数据[7],提取时将足部模型进行适当简化：(1)为减少计算量，对足部剖面视图进行研究，即建立二维模型.(2)将足部韧带与关节简化成线单元.(3)忽略骰骨和籽骨，将足舟骨与楔骨合为一体.提取完轮廓数据后，将其导入建模软件SolidWorks,在二维平面上形成一系列的数据点，将这些数据点按足部轮廓连点成线，形成足部轮廓图,见图2(&)•连线成面，建立起趾骨、跖骨、楔骨、跟骨、距骨和胫骨的二维模型•在这个基础上将线单元添加到各个骨关节之间,代替足部的韧带和关节，最终建立足部模型，见图2(b).(a)足部轮廓(b)足部模型图2建模过程1・2单元类型和材料属性在有限元分析时，韧带组织选择Abaqus中的二节点平面线性梁单元B21；骨组织选择四节点双线性平面应力四边形单元CPS4R；由于模型儿何形状不规则，故划分网格时会产生部分三角形单元CPS3C8].划分的网格见图3(a)・足部骨组织与软组织的单元属性、单元数量和材料属性见表1・(“)网格划分(b)载荷与边界条件图3计算过程1・3载荷和边界条件本文主要研究人站立时足部踩在地面所产生的力学情形，为接近真实的受力情形,负载条件是给予负荷控制.由于成年男子的体质量约为70kg,故给予负荷控制的方法是在一侧的胫骨上施加由上往下的350N的力•在跟骨底部选一点进行固定约束，约束Ul,U2,UR1和UR2；在趾骨底部选一点进行位移约束，约束UR2,见图3(b)；骨组织之间的关节连接、骨组织与软组织之间的连接用接触定义进行模拟[8],定义接触行为为bonded.1.4计算结果定义完后进行分析计算，计算结果见图4•由图4(“)可知，人站立时足部受力较大部位为各个骨关节处，其中最大应力位于跖骨上，为0.919MPa.由图4(b)可知，足部变形最大部位在跖骨和楔骨，变形量为1.19mm,这是由于跖骨和楔骨在足部骨骼中受力较大、支撑较少.(小应力分布(b)位移分布图4分析结果2不同工况分析为进一步分析研究足部骨骼受力情况，对足部施加碾压力，受碾压部位在楔骨上，见图5(EL)•分别模拟人体足部承受100,200,500和1000N碾压力时进行比较分析，分析...