مدل بیومکانیکی پاسخ انسان به ارتعاشات را ارزیابی می کند

ارتعاشات بسته به بزرگی و فرکانس آنها می تواند منبع ناراحتی و حتی درد برای بدن انسان باشد. تأثیر این ارتعاشات مطمئناً احساس می شود، اما آیا تجسم اینکه چگونه قسمت های مختلف بدن انسان وقتی در چنین محیطی قرار می گیرند چگونه واکنش نشان می دهند جالب نیست؟ ما شما را با یک مدل چند بدنه آشنا می کنیم که به شما امکان می دهد پاسخ دینامیکی بدن به ارتعاشات را تجزیه و تحلیل کنید.

یک رویکرد خودرویی

چه در مسافت دوری بین محل کار و خانه سفر کنیم و چه در یک موج مداوم ترافیک، بسیاری از ما هر روز زمان زیادی را در جاده می گذرانیم. در روزهایی که شب‌های شما آزاد است، ممکن است به عنوان زمانی برای استراحت و گوش دادن به یک سی‌دی یا ایستگاه رادیویی مورد علاقه در نظر گرفته شود. با این حال، در روزهایی که برنامه‌تان کمی شلوغ‌تر است، رفت‌وآمد طولانی می‌تواند منبعی برای ناامیدی باشد زیرا برای رسیدن به موقع به مقصد مسابقه می‌دهید. بدون توجه به موقعیت، عنصری که برای لذت بردن از رانندگی با ماشین خود به آن تکیه می کنید، راحتی در وسیله نقلیه شما است.

زمانی که در جاده هستید، ممکن است متوجه احساس ارتعاشاتی شده باشید که گاهی اوقات می تواند از صندلی شما ایجاد شود. ریشه این ارتعاشات را می توان در منابع متعددی از جمله شرایط جاده، سرعت، لرزش موتور و طراحی صندلی های خودرو جستجو کرد. در حالی که نه تنها منبع ناراحتی است، قرار گرفتن طولانی مدت در معرض چنین نوساناتی می تواند برای سلامت فرد خطرناک باشد و به طور بالقوه منجر به خستگی یا درد شود. با توجه به نگرانی فزاینده در پشت تاثیر این ارتعاشات، برخی از وسایل نقلیه برای به حداقل رساندن این اثر، شروع به پیاده‌سازی جداکننده‌های لرزش در طراحی صندلی‌های خود کرده‌اند.

عکس از صندلی یک وسیله نقلیه.
صندلی خودرو می تواند منبع ارتعاش باشد. (“Sedile in pelle di un’Alfa Romeo Giulietta” توسط پاوا – اثر شخصی. دارای مجوز Creative Commons Attribution Share-Alike 3.0 ، از طریق Wikimedia Commons ).

با استفاده از این مدل بیومکانیکی که با استفاده از ماژول Multibody Dynamics ساخته شده است، می‌توانیم پاسخ بدن انسان به چنین ارتعاشاتی را شبیه‌سازی کنیم و در نتیجه به بهینه‌سازی طراحی جداکننده‌های لرزش و همچنین تحلیل کیفیت سواری در وسایل نقلیه کمک کنیم.

ایجاد اتصالات در مدل بیومکانیکی

مدل بیومکانیکی بدن انسان در حالت نشسته این تحلیل را ممکن می سازد. یک عنصر مهم در طراحی این مدل پرداختن به پیچیدگی بدن انسان و نحوه اتصال اعضای مختلف بدن است. در این مثال، ما بر ضربه ارتعاشی در شش ناحیه مختلف بدن تمرکز می کنیم: سر، تنه، احشاء، لگن، ران ها و پاها. هر عنصر به عنوان یک توده توده ای در نظر گرفته می شود و به عنوان یک جسم صلب تعریف می شود.

برای تقریبی اتصالات بین قسمت‌های مختلف بدن، دمپرها و فنرهای چرخشی و انتقالی را روی حرکت نسبی بین دو قسمت متصل بدن اعمال می‌کنیم – اتصالی که با نسخه الاستیک یک مفصل ثابت مدل‌سازی شده است. این سفتی انتقالی و چرخشی و مقادیر میرایی بین قطعات بدنه متصل را فراهم می کند.

یک مفصل ثابت برای مدل‌سازی اتصالات بین اعضای بدن که مستقیماً با صندلی (پاها، ران‌ها و لگن) و خود صندلی که منبع ارتعاش است، استفاده می‌شود. برای مدل‌سازی اثر بالشتکی صندلی، قابلیت ارتجاعی روی مفاصل در صورت نیاز لحاظ می‌شود.

توجه داشته باشید که به جای مدل سازی خود صندلی، از یک گره حرکتی پایه استفاده می شود که در آن تحریک ورودی 1 متر بر ثانیه ^در جهت عمودی در سه مکان مختلف باشد.

ارزیابی تاثیر ارتعاشات بر بدن انسان

ما با یک تجزیه و تحلیل فرکانس ویژه طراحی شده برای تعیین فرکانس های طبیعی ارتعاشات میرا شده و میرا نشده شروع می کنیم.

شکل زیر یک حالت ویژه چرخشی را در مدل بدون میرا نشان می دهد. حرکت چرخشی قابل توجهی در سر و تنه مشاهده می شود. در مقایسه، حرکت کمی در قسمت های دیگر مدل مشاهده می شود.

یک مدل حرکت چرخشی در بدن انسان را در پاسخ به ارتعاشات برجسته می کند.

سپس تجزیه و تحلیل خود را به حالت ویژه ترجمه ای مدل میرا منتقل می کنیم. در اولین حالت ویژه انتقالی، نتایج نشان‌دهنده یک حرکت رو به پایین در سر، لگن و احشاء است، بدون اینکه حرکت قابل توجهی در سایر قسمت‌های بدن مشاهده شود. این در شکل زیر نشان داده شده است.

تصویری که نتایج اولین حالت اصلی ترجمه را به تصویر می‌کشد.

دومین حالت اصلی انتقالی (در زیر نشان داده شده است) جابجایی را در جهت پایین سر، تنه و لگن نشان می دهد، در حالی که احشاء در جهت بالا حرکت می کنند.

جابجایی در مدل بیومکانیکی به دنبال حالت ویژه ترجمه دوم.

تجزیه و تحلیل پاسخ فرکانس

سپس این مثال تجزیه و تحلیل پاسخ فرکانسی را در اطراف فرکانس های طبیعی برای تجزیه و تحلیل سه عنصر مختلف ارائه می دهد: قابلیت انتقال عمودی، قابلیت انتقال چرخشی و جرم ظاهری.

بیایید ابتدا توجه خود را بر قابلیت انتقال عمودی متمرکز کنیم. قابلیت انتقال عمودی به نسبت بین شتاب عمودی سر و شتاب ورودی صندلی اشاره دارد. در مقایسه با فرکانس تحریک، نتایج نشان می‌دهد که رزونانس اولیه در محدوده 4-6 هرتز و رزونانس ثانویه در محدوده 8-10 هرتز قابل مشاهده است.

نموداری که قابلیت انتقال عمودی را با فرکانس تحریک مقایسه می کند.
قابلیت انتقال عمودی در مقابل فرکانس تحریک.

قابلیت انتقال چرخشی نسبت بین شتاب زاویه ای سر و شتاب ورودی صندلی است. با توجه به این شکل از قابلیت انتقال، اجتناب از مقادیر بالا مهم است، زیرا این امر می‌تواند باعث افزایش ناراحتی و همچنین تأثیر بر بینایی فرد شود. نمودار زیر تغییرات آن را با فرکانس تحریک نشان می دهد.

نمودار قابلیت انتقال چرخشی
قابلیت انتقال چرخشی در مقابل فرکانس تحریک.

در نهایت، جرم ظاهری به نسبت نیروی صندلی به شتاب ورودی صندلی اشاره دارد. این عنصر به جای نشان دادن ویژگی های نقطه پایانی مدل، ویژگی های نقطه محرکه را منتقل می کند.

نمودار رابطه بین جرم ظاهری و فرکانس تحریک را نشان می دهد.
جرم ظاهری در مقابل فرکانس تحریک.

اندیشه های پایانی

در این پست وبلاگ، ما شما را با یک مدل بیومکانیکی از بدن انسان آشنا کرده ایم، به ویژه کاربرد آن در صنعت خودرو را برجسته می کنیم. ما به شما نشان داده‌ایم که چگونه با رابط Multibody Dynamics ، می‌توانید قسمت‌های مختلف بدن انسان – و اتصالات آن‌ها – را مدل‌سازی کنید و همچنین پاسخ دینامیکی آن را به ارتعاشات کل بدن تجزیه و تحلیل کنید.