Subject-specific finite element modelling of the foot-shoe complex and its application in metatarsal stress research
摘要: 探讨构建足-鞋三维复合有限元模型的方法,基于所建模型开展生物力学应用研究,为跑鞋设计优化及足部潜在损伤预防提供科学依据。基于足-鞋三维CT断层影像数据进行逆向重建,结合实验三维空间参数定义模型加载及边界条件,建立个体化足-鞋非完全接触有限元模型。细划足底和鞋底压力分区,与实验测试结果对比全方位验证模型的可靠性,并采用Bland-Altman分析、Pearson相关性分析以及配对T检验进一步验证方法的一致性及有效性。应用模型模拟分析裸足/着鞋状态,不同鞋底材料刚度对人体静态站立工况下跖骨区应力的影响。结果如下:1)除前足外,其他所有分区模拟与实验结果相对一致。进一步统计分析发现,两种方法有显著相关性(r=0.986; P<0.001),所有压力差值点均处于95%一致性界限区间内,且数据无显著性差异(P=0.202),表明方法的一致性和有效性均相对较好; 2)静态站立工况下应力主要分布在第二、三跖骨体,其中第三跖骨所受应力最大。与着鞋站立相比,裸足时跖骨区应力峰值明显上升; 3)随着鞋底材料刚度的增加,跖骨间应力峰值差异也逐渐增大,应力趋向集中于第二、三跖骨。基于上述研究结果,本研究得出以下结论:1)前足模拟压力不足或与其纵向应变过大相关,后续研究应考虑优化约束条件; 2)裸足及鞋底刚度增加会导致跖骨应力异常变化,建议在进行裸足跑鞋或碳板跑鞋研发设计时,可考虑在前足跖骨区域添加缓冲结构,协助优化跖骨应力分布,降低潜在损伤风险。
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分类：
力学
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基础力学
期刊：
应用力学学报
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投稿状态：
已在期刊出版
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引用：
ChinaXiv:202311.00161
(或此版本
ChinaXiv:202311.00161V1)
DOI:10.12074/202311.00161V1
CSTR:32003.36.ChinaXiv.202311.00161.V1
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科创链TXID：
8e1dd7fd-83fe-4618-8aee-5c4df519a962
- 推荐引用方式：
宋杨1,2,3, 孙冬1, 岑炫震1,2,3, BÍ, R István2,3, 顾耀东1.个体化足-鞋耦合有限元建模及在跖骨应力研究中的应用.应用力学学报:https://chinaxiv.org/abs/202311.00161.[ChinaXiv:202311.00161V1]
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