動的な有限要素シミュレーションによる接地中の足部内部で生じる力学現象の解明

使用动态有限元模拟阐明地面接触过程中足部内部发生的机械现象

• 批准号: 22K11564
• 负责人: 石井 秀幸
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Rikkyo University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K11564/
• 关键词: バイオメカニクス; 有限要素解析; 接地; 足部内挙動; 医用画像; 形状抽出

本研究では，瞬間的な衝撃力が足部に作用する着地やスポーツ動作における接地中の足部内部で生じる力学現象を解明することを目的とし，有限要素モデルを構築して，材料特性などを変化させた着地および走行動作における接地のシミュレーションを行う．内部構造を考慮した足部の有限要素モデルを作成するために，医用画像から抽出した足部表面，骨，アキレス腱の3次元形状データを有限要素解析ソフトウェアAbaqus（ダッソー・システムズ社／本研究費で年間ライセンスを延長購入）にインポートした．これらの形状を用いて軟骨と軟組織の形状を作成し，さらに靱帯，腱，足底腱膜，皮膚をモデル化した．有限要素モデルの各部位には個別の材料特性を割り当てるとともに，摩擦の定義，荷重の定義などを行った．当該年度には，下腿部の境界条件，アキレス腱張力の定義，足関節荷重の定義などを変更した上で接地局面の有限要素解析を行い，有限要素モデルの妥当性を検討して有限要素モデルの修正に取り組んだ．当該年度に変更した下腿部の境界条件，アキレス腱張力の定義，足関節荷重の定義によって有限要素モデルが大幅に改善されたと考える．本研究を推進することで，着地および走行動作における接地中の足部内部で生じる力学現象を明らかにできる可能性がある．さらにシミュレーションによって，材料特性などの変化が，着地衝撃応答や走行動作に影響を及ぼすメカニズムを検討することも可能である．これらの結果は，障害発生予防，パフォーマンス向上，製品開発に寄与する可能性があるという点で意義のあるものと考える．

This study aims to understand the mechanical phenomena occurring inside the foot during the foot landing motion due to the instantaneous impact force. The finite element model is constructed and the material properties are changed during the foot landing motion. The internal structure is considered to be the finite element model of the foot. The medical image is extracted from the surface of the foot. The bone is extracted from the tendon. The three-dimensional shape of the tendon is analyzed by finite element analysis. The shape of the cartilage and soft tissue is used to create the shape of the cartilage and soft tissue, and the tendon, plantar aponeurosis, and skin are used to create the shape. Finite elements of the various parts of the material characteristics of the separation, when the definition of friction, load definition, line. When this year, the boundary condition of the lower leg, the definition of tendon tension, the definition of foot joint load, the finite element analysis of the upper grounding situation, the adequacy of the finite element analysis, the correction of the finite element analysis, are discussed. When the leg boundary condition is changed in the year, the definition of tendon tension and the definition of foot joint load are greatly improved. This study advances the possibility of mechanical phenomena occurring in the foot during landing and walking. In addition, the material characteristics change, the impact of landing and the impact of running action are discussed. As a result, the occurrence of damage is prevented, and the possibility of product development is discussed.