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河北华利机械配件有限公司

工具手柄的手抓握有限元模型建立及研究

2013/7/11 15:10:38

 

    陶國強,李俊源,姜獻峰

晰江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室,杭州310014

摘要:以獲得工具手柄手抓握時的手部表面壓力分布爲目標,分析手部結構與運動特征,建立手柄手抓握情形下的抓握准則,建立面向手柄抓握的手部幾何模型,通過ABAQUS有限元分析軟件,劃分網格、設置抓握進程和邊界條件等建立有限元模型,最終分析得到手柄手抓握虛擬仿真情形下的手部壓力分布狀況,並驗證了與實際的類似抓握情形相符,爲手部表面壓力測量尋求了一種新的虛擬測試途徑。

關鍵詞:手柄;抓握;有限元;壓力分布

中圖分類號:TP391.7文獻標志碼:A文章編號:1671-3133Q011)12-0031-04

引言

    手在日常生活與工作過程當中,是使用工具、操縱設備等進行一系列社會活動的主要載體,起著非常重要的作用。由于工具手柄的設計缺陷及手抓握操縱上的不當作業等各種原因,會引發對手部的傷害和意外狀況。長期以來,人們對手部的解剖結構、生理特性和運動性能及工具手柄的設計等都進行了大量的研究。工具手柄抓握時的手部姿態如圖1所示,人手在使用工具時,手部所受壓力分布狀況直接影響看人手使用工具的舒適性,手部壓力分布位置及大小是評價手部舒適性的一項重要指標。目前,對手部的壓力測試均采用實物樣機測試法,如通過貼有應變片的數據手套來實現。在工具手柄的開發設計中,采用實物樣機測試,需要反複試制與試驗,成本高、效率低且開發設計周期長。

    本文爲手部表面壓力測量尋求一種新的測試途徑,采用虛擬仿真測試技術,以獲得手柄手抓握時的手部表面壓力分布爲目標,通過手抓握模型與工具手柄模型間的交互行爲,最終獲得良好的實驗結果。

工具手柄的手抓握分析

1.1  手部結構簡述

    手是人體的重要部位,其構成相當複雜,主要由上皮組織、肌肉組織、結締組織和神經系統、骨骼,以及皮膚等組成圈。骨骼之間由關節連接,肌肉附著在骨骼之上,皮膚又覆在肌肉等軟組織之外。如圖2所示,手是一個多關節的系統,手部骨架由27塊骨骼組成,分爲腕骨、掌骨和指骨三部分。腕骨由鈎骨、月骨、三角骨等8塊構成。掌骨共5塊,由拇指《humb)向小指~inky)依次爲第1~5掌骨,近端接腕骨,遠端接指骨。指骨共14塊,除拇指只有2節指骨外,其他四指分別有3節指骨,爲近指骨、中指骨和遠指骨圈。人手由手腕、手掌、拇指及其他相鄰的四指組成,它們由關節相互連接,隨著各關節間的轉動,手的姿態也發生變化。

1.2手部的運動約束

    人手的運動主要有3種形態:伸屈、收展和旋轉。手部作爲一個整體在空間運動中具有6個自由度,在手部模型中分析各手指的運動而不考慮手相對于人體的運動時,可以限定這6個自由度。如圖2所示,拇指的運動關節TIJ1個自由度,做伸屈運動,TiVIPJTM,分別有2個自由度,做伸屈和外展運動;其他四指的運動關節DIJPIJ各有1個自由度,做伸屈運動,Mpj2個自由度,做伸屈和外展運動;另外4MCJ也各有1個自由度幽。因此,在分析手的抓握时,霈要考虑25個自由度。

    根据人手的运动特性,每根手指的运动都依附于手掌,单根手指上离手掌远端的指段又从属于离手掌较近的指段,手指的运动主要是围绕关节的旋转运动。可以在各個关节上建立一個局部坐标系,每根手指上的局部坐标系构成有从属关系的多级坐标系。以食指为例,其多级坐标系如图3所示。取關節的軸線方向爲X軸方向,本關節到下一關節的連線方向爲l,軸方向,Z轴方向根据右手定则来确定。在手没有对外施加载荷和承受外部载荷的自由状态下,手指的每個关节都有一定的运动角度范围

1.3  抓握准則

    手指伸屈的實質是指關節的轉動,而關節的轉動又是由肌肉收縮引起,是較複雜的生理過程網。因而在模擬工具手柄抓握中,需要對這一過程進行合理地簡化並加以控制。

    1)將在抓握過程中僅有微小變動的骨骼固定。第25掌骨的變動微小,可以視爲固定不動,減少了4個自由度。

    2)將一些關節設爲僅有繞X軸旋轉的自由度。抓握過程中,在一定的初始狀態下,五指主要做彎屈運動,收展運動較小,可以限制住關節MpjTMpjTM,繞l,軸的6個自由度。

    3)每節指段繞各自局部坐標系的X軸旋轉,建立每根手指上各指段轉角d,與時間£的函數關系,以實現手柄抓握的進裎控制,函數關系爲:式中:厶:爲比例系數;ao。爲指段初始位置角度;/=12,3

其中,手指嚇包括拇指)第3關節的轉動並不是獨立的,其與第2关节的转动有一定的联动关系,大致为一個线性的比例关系阴,即:   

a3=Q/3)a

    4)工具手柄抓握過程中手指與手柄接觸,手指指段與手柄曲面交互作用到一定程度即視爲抓握成功。手柄抓握後,手部表面貼合手柄曲面,肌肉組織等産生一些擠壓形變,其形變位置及程度取決于抓握方式、手柄曲面形態、施力部位和施力大小等,手指轉動程度會受手指指段與手柄曲面間擠壓産生的作用力影響而達到最大。

工具手柄手抓握有限元模型建立

2.1  手抓握的簡化處理

    在最大限度不降低真實性的情況下,針對工具手柄抓握這一過程,對手抓握進行合理簡化。

    1)考虑到手抓握过程中,手部受力对手部各個部位组织的影响程度,将模型简化为只包含:骨骼部分、肌肉部分和指段间关节处连接部分。

    2)建立的抓握手模型初始形態爲即將抓握住手柄的形態。對手抓握模型的初始形態進行設定,使手部模型初始姿態不與手柄模型接觸,卻又即將抓握到手柄,減少手指大幅度彎曲,關節部位形變過大可能會對抓握的結果造成影響。

    3)關節部位的簡化處理。在手柄手握獲得表面壓力分布及虛擬測量表面壓力時,連接關節部位不是主要的表面受壓部分,骨與骨之間的連接采用類似鉸鏈连接的方式,外表则采用两個指段的过渡连接形式。以食指第1、第2關節部位爲例,其簡化示意如圖4所示。

2.2  有限元模型的建立

    綜合前述的分析,使用三維建模軟件建立手抓握模型的幾何形狀,然後將建立的幾何模型導入ABAQUS有限元分析軟件,進行網格劃分、材料特性設置等。

2.2.1  網格劃分

    對于手柄抓握過程,既有手指彎曲時産生的手模型較大變形,又有手模型與手柄模型之間的抓握接觸,應選取適用于大應變問題和接觸分析的結構化網格或掃掠網格,生成Hex單元網格。

    但由于手抓握模型的几何形状较为复杂,无法整体使用结构仳网格或扫掠网格,对手抓握模型部分采用自由網格劃分技术,生成Tet單元網格。综合考虑,对模型的骨骼及手指部分采用扫掠网格,线性缩减积分單元(C3D8R),手掌及虎口位置采用修正的二次Tet單元C3DlOM)。不同网格單元类型的交界处由ABAQUS有限元分析軟件自動創建tie約束聞。2.2.2材料特性設置

    查閱文獻D]、文獻[10],設置骨骼及肌肉部分的楊氏模量爲7300MPa50MPa,泊松比爲0.30.3,指段間關節處連接部分設置超彈性材料屬性等相關參數。

    手抓握有限元分析模型及手骨模型在手部模型中的位置如圖5、圖6所示。

2.3  手柄手抓握仿真分析

    ABAQUS有限元分析软件中,在已建立手抓握模型文件中导入一個工具手柄模型,手柄手抓握前的有限元模型如图7所示。之後設置邊界條件:將手部腕骨、掌骨及手柄固定;手部模型與手柄模型的表面接觸摩擦因數爲0. 05;手指抓握過程關節轉動的函數關系等,

    設置完成後進行手柄手抓握的有限元仿真分析,手柄手抓握後的抓握姿態如圖8所示,分析結果顯示的手部抓握接觸的應力分布位置如圖9所示,掌心前端及各個指段所受压力较大,最大应力值为0. 810 8MPa。在實際的類似于柄手抓握中,使用透明玻璃杯進行手抓握,得到實際類似抓握中的手部受力位置如圖10所示。通过对仿真分析结果与实际抓握情形下的手部接触受力区域进行一個定性的比较,可以得到以下结论:所建立的手柄手抓握模型通过虚拟仿真分析,得到的手部表面压力分布位置与实际的类似手柄抓握情况中的手部受压位置基本相符。

結語

    本文通过简要分析手部结构与运动特征,建立了在手柄手抓握情形下的抓握准則。在此基础上,建立面向手柄抓握的手部有限元分析模型,采用虚拟仿真测试的方法,使用ABAQUS有限元分析軟件,通過手抓握模型與手柄模型間的交互作用,獲得了較爲理想的手柄手抓握情形下的手部表面壓力分布狀況,爲手部表面壓力測量尋求了一種新的虛擬測試途徑。

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