一种鞋底振动传递特性分析方法

1.本发明涉及振动分析领域，具体涉及一种鞋底振动传递特性分析方法。


背景技术：

2.大量研究表明，人体足部长期暴露于振动环境中，能够使他们患振动诱发白足的风险增加。而足部在接触振动时，鞋底是与来自地面的冲击振动最直接接触的部分，同时也会起到减振、隔振的作用。对于足部和鞋底振动的研究主要采用运动学测量的方法，有着诸多的缺点，如试验周期长、成本高等。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种鞋底振动传递特性分析方法，借助于数值建模和有限元分析的方法，不仅可以研究振动在鞋底中的响应及传递情况，还能为制鞋业与脚用个人防护设备的开发提供评估标准与指导。
4.为了解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：一种鞋底振动传递特性分析方法，包括如下步骤：
5.步骤s1,建立鞋底三维实体模型；
6.步骤s2,建立鞋底三维实体模型的有限元模型并进行模态分析，获得鞋底三维实体模型的固有振动特性；
7.步骤s3，基于有限元模型的模态分析，对鞋底进行稳态动力学分析，获得鞋底在三种工况下对振动的响应情况；所述三种工况包括前脚掌激励、全脚掌激励及脚后跟激励；
8.步骤s4，利用python编程语言计算并绘制鞋底等效机械导纳分布云图，及获得鞋底不同区域等效机械导纳的分布情况；
9.步骤s5，基于鞋底不同区域等效机械导纳的分布情况，利用python编程语言计算并获得鞋底不同区域的等效振动传递率分布情况。
10.在一较佳实施例中：所述步骤s2具体包括：
11.步骤s21：将鞋底三维实体模型导入abaqus有限元分析软件中；
12.步骤s22：对鞋底三维实体模型按照解剖学原理划分成不同的区域，具体包括4个大的区域，再将这4个大的区域细分为9个小的区域；4个大的区域包括：足跟区、足弓区、跖骨区、趾骨区；其中足跟区包括足跟内侧区hm、足跟外侧区hl，足弓区包括足弓内侧区mf1、足弓外侧区mf2，跖骨区包括第一跖骨区m1、第二、三跖骨区m23、第四、五跖骨区m45，趾骨区包括第一趾骨区t1、第二-五趾骨区t25共9个区域；
13.步骤s23：对所述步骤s22中的鞋底三维实体模型赋予材料属性、施加边界条件、划分网格单元得到鞋底三维实体模型的有限元模型；
14.步骤s24：对鞋底三维实体模型的有限元模型在一定频率范围内进行模态分析，得到鞋底的固有振动特性。
15.在一较佳实施例中：所述步骤s3具体包括：
16.步骤s31：分别对三种不同工况下的鞋底施加一定频率范围内的简谐激励力；
17.步骤s32：对所述步骤s31中的鞋底进行稳态动力学分析，得到鞋底对于振动的响应情况；
18.步骤s33：将鞋底下表面各节点的速度作为历史输出变量，输出各节点速度到abaqus结果文件.odb文件中。
19.在一较佳实施例中：所述步骤s4具体包括：
20.步骤s41：利用python编程语言从所述步骤s33中的.odb结果文件中读取激励面及鞋底下表面各节点的响应速度到矩阵a，读取激励面各节点的节点激励力到矩阵b；
21.步骤s42：根据响应速度矩阵a与激励力矩阵b，并结合等效机械导纳计算公式得到鞋底激励面及鞋底下表面各节点在全频率范围内的等效机械导纳数据，并写入.csv表格文件中；
22.步骤s43：利用python编程语言求取鞋底激励面及鞋底下表面各节点等效机械导纳数据在全频率范围内的平均值，并绘制其分布云图；
23.步骤s44：求取鞋底激励面及鞋底下表面各区域等效机械导纳的平均值，得到鞋底激励面及鞋底下表面不同区域等效机械导纳的数据，并绘制柱形图得到其等效机械导纳的分布情况。
24.在一较佳实施例中：所述步骤s5具体包括：
25.步骤s51：根据步骤s44所述的鞋底激励等效机械导纳与鞋底下表面不同区域等效机械导纳，并结合等效传递率计算公式计算得到鞋底下表面不同区域的等效传递率；
26.步骤s52：利用python编程软件绘制鞋底下表面不同区域等效传递率的柱形图，得到鞋底下表面不同区域等效传递率分布情况。
27.由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
28.1)本发明方法中，对模型的质量密度、杨氏模量和泊松比分别进行赋值，使模型与实物的材质相同，从而达到仿真的目的；
29.2)本发明方法中，采用等效机械导纳与等效振动传递率来对进行分析，能够清晰的反映鞋底对于振动的响应情况，及鞋底振动传递情况；
30.3)本发明方法中，利用python编程语言绘制等效机械导纳分布云图及柱形图和等效振动传递率分布柱形图，能够很清晰的反映振动能量在鞋底各区域的分布情况，以及振动能量在鞋底各区域的放大衰减情况；
31.4)通过本发明对鞋底进行振动响应及传递特性分析，能够为制鞋业与脚用个人防护设备的开发提供评估标准与指导。
附图说明
32.图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；
33.图2为鞋底三维实体模型图；
34.图3为鞋底区域划分图；
35.图4(a)为前脚掌激励工况下鞋底有限元模型图；
36.图4(b)为全脚掌激励工况下鞋底有限元模型图；
37.图4(c)为脚后跟激励工况下鞋底有限元模型图；
38.图5(a)为前脚掌激励工况下鞋底下表面等效机械导纳分布云图；
39.图5(b)为全脚掌激励工况下鞋底下表面等效机械导纳分布云图；
40.图5(c)为脚后跟激励工况下鞋底下表面等效机械导纳分布云图；
41.图6(a)为前脚掌激励工况下鞋底各区域等效机械导纳分布的柱状图；
42.图6(b)为全脚掌激励工况下鞋底各区域等效机械导纳分布的柱状图；
43.图6(c)为脚后跟激励工况下鞋底各区域等效机械导纳分布的柱状图；
44.图7(a)为前脚掌激励工况下鞋底下表面等效振动传递率分布的柱状图；
45.图7(b)为全脚掌激励工况下鞋底下表面等效振动传递率分布的柱状图；
46.图7(c)为脚后跟激励工况下鞋底下表面等效振动传递率分布的柱状图；
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.一种鞋底振动传递特性分析方法，如图1所示，包括：
51.步骤s1，在ug中建立简化的鞋底三维实体模型，如图2所示；
52.步骤s2，建立所述步骤s1中鞋底三维实体模型的有限元模型并进行模态分析，获得其固有振动特性，具体包括：
53.步骤s21：将鞋底三维实体模型导入abaqus有限元分析软件中；
54.步骤s22：对鞋底三维实体模型按照解剖学原理划分成不同的区域，具体包括4个大的区域，再将这4个大的区域细分为9个小的区域；
55.具体的，4个大的区域包括：足跟区、足弓区、跖骨区、趾骨区。其中足跟区包括足跟内侧区hm、足跟外侧区hl，足弓区包括足弓内侧区mf1、足弓外侧区mf2，跖骨区包括第一跖骨区m1、第二、三跖骨区m23、第四、五跖骨区m45，趾骨区包括第一趾骨区t1、第二-五趾骨区t25共9个区域，如图3所示。
56.步骤s23：对所述步骤s22中的鞋底三维实体模型赋予材料属性、施加边界条件、划分网格单元得到鞋底有限元模型，其中材料属性包括质量密度、杨氏模量、泊松比和材料阻尼；
57.具体的，鞋底密度设置为1230kg/m3，弹性模量设置为4mpa，泊松比设置为0.4，材料阻尼设置为0.1；鞋底边界条件为无约束的自由边界条件；网格单元尺寸为4mm。
58.步骤s24：对所述步骤s23中的鞋底有限元模型在0-360hz频率范围内进行模态分析，得到鞋底的固有振动特性。
59.步骤s3，基于所述步骤s2中的有限元模态分析，对鞋底进行稳态动力学分析，获得其在三种工况下对振动的响应情况，具体包括：
60.步骤s31：分别对三种不同工况下的鞋底施加频率范围为1-360hz的简谐激励力，包括前脚掌激励、全脚掌激励及脚后跟激励三种工况；
61.具体的，继续沿用所述步骤s23中的鞋底材料属性，鞋底无约束的自由边界条件，网格单元尺寸。另外，分别对在鞋底上表面不同区域施加z方向向下，频率在1-360hz内逐一增加、幅值为1n的单位简谐激励力，以模拟前脚掌激励、全脚掌激励及脚后跟激励三种工况。其中前脚掌激励施加在第二、三跖骨区域m23，如图4(a)所示；全脚掌激励施加在整个鞋底上表面，如图4(b)所示；脚后跟激励施加在足后跟圆形区域，如图4(c)所示。
62.步骤s32：对所述步骤s31中的模型进行稳态动力学分析，得到鞋底对于振动的响应情况；
63.步骤s33：将鞋底下表面各节点z方向的速度v3作为历史输出变量，输出各节点速度到abaqus结果文件.odb文件中。
64.步骤s4，利用python编程语言计算并绘制鞋底等效机械导纳分布云图，及获得鞋底不同区域等效机械导纳的分布情况，具体包括：
65.步骤s41：利用python编程语言从所述步骤s33中的.odb结果文件中读取激励面及鞋底下表面各节点的响应速度到矩阵a，读取激励面各节点的节点激励力到矩阵b；
66.步骤s42：根据所述步骤s41中的响应速度矩阵a与激励力矩阵b，并结合等效机械导纳计算公式得到鞋底激励面及鞋底下表面各节点在全频率范围内的等效机械导纳数据，并写入.csv表格文件中；
67.步骤s43：利用python编程语言求取鞋底激励面及鞋底下表面各节点等效机械导纳数据在全频率范围内的平均值，并绘制其分布云图；
68.具体的，前脚掌激励工况下鞋底下表面等效机械导纳分布云图如图5(a)所示，全脚掌激励工况下鞋底下表面等效机械导纳分布云图如图5(b)所示，脚后跟激励工况下鞋底下表面等效机械导纳分布云图如图5(c)所示。
69.步骤s44：求取鞋底激励面及鞋底下表面各区域等效机械导纳的平均值，得到鞋底激励面及鞋底下表面不同区域等效机械导纳的数据，并绘制柱形图得到其等效机械导纳的分布情况。
70.具体的，前脚掌激励工况下鞋底不同区域等效机械导纳分布的柱状图如图6(a)所示，全脚掌激励工况下鞋底不同区域等效机械导纳分布的柱状图如图6(b)所示，脚后跟激励工况下鞋底不同区域等效机械导纳分布的柱状图如图6(c)所示。
71.步骤s5，基于鞋底不同区域等效机械导纳的分布情况，利用python编程语言计算并获得鞋底不同区域的等效振动传递率分布情况，具体包括：
72.步骤s51：根据步骤s44所述的鞋底激励等效机械导纳(即等效输入导纳)与鞋底下表面不同区域等效机械导纳(即等效传递导纳)，并结合等效传递率计算公式计算得到鞋底
下表面不同区域的等效传递率；
73.步骤s52：利用python编程软件绘制鞋底下表面不同区域等效传递率的柱形图，得到鞋底下表面不同区域等效传递率分布情况。
74.具体的，前脚掌激励工况下鞋底不同区域等效振动传递率分布的柱状图如图7(a)所示，全脚掌激励工况下鞋底不同区域等效振动传递率分布的柱状图如图7(b)所示，脚后跟激励工况下鞋底不同区域等效振动传递率分布的柱状图如图7(c)所示。
75.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。