عنوان

ارائه مدل اسکلتی-عضلانی به‌منظور ارزیابی پاسخ دینامیکی بدن انسان به ارتعاشات کف و شناسایی ناحیه بهینه ی ویسکوالاستیک برای زیره ی کفش کار ضد ارتعاش

Number

پ۲۴۵۲۲

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

ارائه مدل اسکلتی-عضلانی به‌منظور ارزیابی پاسخ دینامیکی بدن انسان به ارتعاشات کف و شناسایی ناحیه بهینه ی ویسکوالاستیک برای زیره ی کفش کار ضد ارتعاش

First Statement of Responsibility

پیمان جلالی

Name of Publisher, Distributor, etc.

مهندسی مکانیک

Date of Publication, Distribution, etc.

۱۳۹۹

Specific Material Designation and Extent of Item

۲۱۰ص.

Accompanying Material

سی دی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

مهندسی مکانیک طراحی کاربردی

Date of degree

۱۳۹۹/۱۱/۲۷

Text of Note

در سال¬های اخیر مطالعات متعددی بر روی صندلی و سیستم تعلیق خودروها برای ارزیابی ارتعاشات وارده بر بدن افراد مورد مطالعه قرار گرفته است درحالی‌که میزان انتقال ارتعاشات از طریق کف پا و راه¬کار-هایی مناسب به‌منظور مقابله با آن کمتر مورد توجه قرار گرفته است. همچنین مدل¬های ارائه شده در ادبیات فن قابلیت تخمین میزان ارتعاشات انتقالی به‌تمامی اعضای نرم بدن (ماهیچه¬ها) و یا قسمت صلب بدن همچون استخوان¬های کمر و گردن را به‌طور هم¬زمان دارا نمی¬باشند. علاوه بر این با بررسی مدل¬های موجود در ادبیات فن مشاهده می¬شود که در این مدل¬ها، کفش که یکی از منابع عمده انتقال ارتعاشات به بدن می¬باشد، در نظر گرفته نشده و درنتیجه در نظر نگرفتن پارامترهای سفتی و میرایی کفش خطای تخمین پاسخ دینامیکی بدن را افزایش می¬دهد. هدف از این رساله¬ ارائه مدل اسکلتی – عضلانی به‌منظور محاسبه پاسخ دینامیکی قسمت¬های نرم و صلب بدن به صورت مجزا در حالت ایستاده می¬باشد. همچنین مدل جرم-فنر-دمپر برای افراد در معرض ارتعاشات کف در وضعیت نشسته بر صندلی به‌منظور ارزیابی پاسخ دینامیکی بدن و همچنین شناسایی ناحیه¬ی بهینه¬ی ویسکوالاستیک برای زیره¬ی کفش ضد ارتعاش ارائه شده است. به‌منظور اعتباربخشی به مدل ارائه شده، نحوه انجام تست¬های تجربی به این صورت است که ابتدا شرکت‌کنندگان از قسمت کف پا در معرض ارتعاشات سینوسی در بازه¬های فرکانسی پایین قرار گرفته¬اند. با توجه به اینکه فرکانس تشدید اندام¬ها عمدتاً در فرکانس¬های پایین قرار دارند، لذا تحریک در چنین فرکانس¬هایی سبب لرزش شدید اندام¬های بدن می¬شود. با انجام این تست¬ها، نسبت انتقال ارتعاشات به قسمت¬های مختلف بدن استخراج شده¬اند. در مرحله دوم معادلات حرکتی حاکم بر مدل¬ها با استفاده از دینامیک لاگرانژی استخراج شده و سپس به‌منظور شناسایی پارامترهای ویسکوالاستیک مدل¬های ارائه شده، از الگوریتم ژنتیک چند هدفه به¬منظور حداقل نمودن مربع خطا بین انتقال ارتعاشات در تست¬های تجربی و مدل¬های ارائه شده¬ استفاده شده است. در ادامه به ارزیابی تاثیر خستگی، تاثیر مقادیر جرم¬های نرم و صلب بدن و همچنین تاثیر پارامتر¬های ویسکوالاستیک زیره کفش در انتقال ارتعاشات به بدن بر اساس تست¬های تجربی و مدل¬های ارائه شده پرداخته‌شده است. به عنوان یک کاربرد صنعتی چنین مدلی می¬تواند در استخراج پارامتر¬های مناسب کفش کارگران صنعتی که در معرض ارتعاشات کف قرار دارند نیز استفاده شود. بدین منظور از دو تئوری مختلف به‌منظور شناسایی پارامتر¬های ویسکوالاستیک زیره کفش کار برای افرادی که در معرض ارتعاشات کف قرار دارند استفاده شده است. تئوری اول بر اساس کمترین توان جذب شده در سیستم اسکلتی-عضلانی بدن می¬باشد، زیرا تحقیقات نشان می¬دهد که توان جذب شده ارتباط مستقیمی با میزان خستگی افراد در معرض ارتعاشات دارد. با فرض فعال بودن سیستم اسکلتی – عضلانی بدن، از تئوری دوم بر مبنای کنترل ارتعاشات در عضلات بدن با استفاده از سیستم کنترل اعصاب مرکزی استفاده می¬شود. در این سیستم فعال، بر اساس فیزیولوژی عصب و عضله، مشخصه¬های ویسکوالاستیک عضلات بدن انسان در تماس با ارتعاشات قادر به تغییر می¬باشند که کنترل این مشخصه¬ها بر عهده سیستم کنترل اعصاب مرکزی انسان است. بنابراین در فرآیند شناسایی مشخصه¬های مناسب کفش بر اساس سیستم فعال، عضلات پایین¬تنه دارای قابلیت تغییر در پارامتر¬های ویسکوالاستیک خود خواهند بود که در ادبیات فن با عنوان فعالیت عضلانی شناخته می¬شود. ازآنجایی‌که سیستم کنترل اعصاب مرکزی بدن انسان پارامتر¬های میرایی و سفتی عضلات را به‌گونه‌ای تنظیم می¬کند که میزان ارتعاشات در اعضای بدن کمترین باشد، بنابراین در فرآیند شبیه¬سازی، این سیستم به صورت تابع هدفی تعریف می¬شود که در آن میزان انتقال ارتعاشات در اعضای حیاتی بدن از طریق تنظیم مقادیر ویسکوالاستیک عضله کمینه شود. نتایج حاصل از این رساله نشان می¬دهد که تاثیر تغییر در جرم زیره کفش بر مساحت ناحیه ایمن ویسکوالاستیک در حالت نشسته بر صندلی بیشتر از حالت ایستاده می¬باشد. همچنین بر اساس نتایج حاصل افزایش سفتی زیره کفش موجب کاهش سفتی و افزایش میرایی عضله ساق پا می¬شود.

Text of Note

Over the last few years, several studies have been conducted on viscoelastic parameters of vehicle seats and suspension systems to assess the influence of the effective parameters on vibration transmissibility to the body. However, the effect of viscoelastic parameters of the work shoe sole on vibration transmissibility to the body, and providing appropriate strategies to deal with foot-transmitted vibration (FTV) has been neglected. Also, the proposed models in the previous studies couldn’t estimate the level of vibration transmissibility to all parts of the body including soft tissues (muscles and tendons), and the rigid parts (bones), simultaneously. In addition, in these models, viscoelastic parameters of work shoes, which have considerable effect on vibration transmissibility to the body, have been ignored. As a result, ignoring the stiffness and damping parameters of the work shoe decreases the accuracy of the dynamic response of the body to the floor vibrations which are estimated by the numerical model. The purpose of this study is to develop a skeletal-muscular model in order to analyze the dynamic response of the soft and rigid parts of the body separately in the sitting and standing positions. For this aim, mass-spring-damper models provided for subjects exposed to floor vibrations to assess the body's dynamic response, and to identify the viscoelastic safe area for the anti-vibration shoe sole. In order to validate the proposed models, experimental tests were stablished in such a way that the subjects firstly exposed to sinusoidal vibrations in the low-frequency ranges of FTV. Since the natural frequency of body segments are mostly in the low frequencies, stimulation at such frequencies causes severe vibration in the body. By performing these tests, the vibrations transmissibility ratio for different parts of the body in sitting and standing postures were extracted. In the second step, the motion equations of the models were extracted using Lagrangian dynamics. Then, to identify the viscoelastic parameters of the models, a multi-objective genetic algorithm was used to minimize the error value of vibration transmissibility between the experimental tests and the numerical model. After that, the effects of changes in the mass of soft and rigid parts of the body,viscoelastic properties of work shoe sole, and fatigue phenomenon on the vibration transmissibility to the body were evaluated by performing experimental tests and simulation of proposed models. As an industrial application, this model can also be used to identify the appropriate viscoelastic parameters of the shoes for workers who are exposed to the floor vibrations. For this purpose, two different theories are used to identify the viscoelastic safe area of the work shoe sole in vibrational environments. As increasing the vibration power absorption (VPA) in the body is one of the causes of fatigue in the body. Therefore, the first theory is based on the minimum VPA in the skeletal-muscular system of the body. Assuming the skeletal-muscular system of the body is active, the second theory is based on controlling the vibrations in the muscles of the body using the central nervous system (CNS). In an active system, the viscoelastic characteristics of the muscles can change in contact with vibrations. The CNS is able to adjust the viscoelastic properties of the soft tissues for minimizing the amplitude of vibrations in the muscles by changing the viscoelastic parameters of the muscles. Therefore, in the process of identifying the appropriate characteristics of the shoe based on the active system, the lower body muscles can change their viscoelastic parameters, which is known in the literature as muscle activity. As the CNS regulates the damping and stiffness parameters of the muscles in such a way that the amount of vibrations in the body's organs is minimal. Therefore, in the simulation process, this system is defined as a target function in which the amount of vibrations transmissibility to the vital organs of the body is minimized by adjusting the viscoelastic parameters of the muscle

Variant Title

Development of musculoskeletal model to evaluate dynamic response of human body to floor vibration and to identify optimal viscoelastic region for anti-vibration work shoe sole

Entry Element

‏جلالی،

Part of Name Other than Entry Element

‏‏ پیمان

Relator Code

تهيه کننده

Entry Element

‏محمد اتفاق،

Entry Element

‏حسن نژاد،

Part of Name Other than Entry Element

‏‏ میر

Part of Name Other than Entry Element

رضا

Dates

استاد راهنما

Dates

استاد راهنما

Entry Element

‏ تبریز