Аннотації

КОМП’ЮТЕРНА МОДЕЛЬ ОРТОПЕДИЧНОГО СУПІНАТОРА ДЛЯ РЕАБІЛІТАЦІЙНОЇ ІНЖЕНЕРІЇ В СЕРЕДОВИЩІ ANSYS

Автор(и):
Антонова-Рафі Ю.В., Соломін А.В., Гетун Г.В., Вихляєв Ю.М., Матвієнко Л.В.
Дата публікації:

17.10.2018

Анотація (укр):

В задачах реабілітаційної інженерії, зокрема при проектуванні і виготовленні ортопедичних супінаторів, є нагальна потреба комп’ютерного моделювання процесів механічних деформацій при навантаженнях в цих виробах, оскільки ступінь деформації відображає їх якість щодо виконання реабілітаційних функцій, а пацієнти суттєво різняться за своїми параметрами: вагою, розміром стоп, типом їх деформацій. Наразі проектування супінаторів ґрунтується більше на практичному досвіді фахівців, ніж на інженерних розрахунках. В інших інженерних галузях, зокрема в будівництві та машинобудуванні, зараз досить ефективно використовується програмне середовище ANSYS, де розрахунки комп’ютерних моделей здійснюються із застосуванням методів скінченних елементів, і пропонуються сучасні засоби створення таких 3D-моделей. Після завершення розрахунків результати можна представляти у зручному для використання вигляді, можна досить просто змінювати геометричні параметри моделей, параметри навантажень та матеріалів і швидко отримувати відповідні результати. В роботі запропоновано використати програмне середовище ANSYS для математичного моделювання процесів функціонування виробів реабілітаційної інженерії. Реалізовано комп’ютерну модель ортопедичного супінатора в середовищі ANSYS, що закладає засади інженерного підходу до проектування таких реабілітаційних засобів. Продемонстровано переваги комп’ютерного моделювання, пов’язані з можливістю оптимізації конструкцій і параметрів виробів, прогнозуванням особливостей їх функціонування, здешевленням етапу розроблення.

Анотація (рус):

В задачах реабилитационной инженерии, в частности при проектировании и изготовлении ортопедических супинаторов, есть необходимость компьютерного моделирования процессов механических деформаций при нагрузках в этих изделиях, поскольку степень деформации отражает их качество по выполнению реабилитационных функций, а пациенты существенно различаются по своим параметрам: весом, размером стоп, типу их деформаций. Сейчас проектирование супинаторов основывается больше на практическом опыте специалистов, чем на инженерных расчетах. В других инженерных областях, в частности в строительстве и машиностроении, сейчас достаточно эффективно используется программная среда ANSYS, где расчеты компьютерных моделей осуществляются с применением методов конечных элементов, и предлагаются современные средства создания таких 3D-моделей. После завершения расчетов результаты можно представлять в удобном для использования виде, можно достаточно просто изменить геометрию моделей, параметры нагрузок и материалов и быстро получать соответствующие результаты. В работе предложено использовать программную среду ANSYS для математического моделирования процессов функционирования изделий реабилитационной инженерии. Реализована компьютерная модель ортопедического супинатора в среде ANSYS, что закладывает основы инженерного подхода к проектированию таких реабилитационных средств. Продемонстрированы преимущества компьютерного моделирования, связанные с возможностью оптимизации конструкций и параметров изделий, прогнозированием особенностей их функционирования, удешевлением этапа разработок.

Анотація (англ):

In the tasks of rehabilitation engineering, in particular, in the design and manufacture of orthopaedic supina-tors, there is an urgent need for computer simulation of the processes of mechanical deformations under loads in these wares, since the degree of deformation reflects their quality to the implementation of rehabilitation functions, and patients differ significantly in their pa-rameters: weight, foot size, type of deformation. At present, the design of supinators is based more on the practical experience of specialists than on engineering calculations. In other engineering sectors, in particular in construction and engineering, the ANSYS software workbench is now used very efficiently, where calculations of computer models are carried out using finite element methods, and the contemporary tools for creat-ing such 3D-models are offered. After completing the calculations, the results can be presented in a conven-ient for use form, you can easily change the geometric parameters of the models, the parameters of loads and materials and quickly receive the corresponding results. In this paper, it is proposed to use the ANSYS software workbench for mathematical modeling of the function-ing of rehabilitation engineering wares. The computer model of the orthopedic supinator in the ANSYS work-bench is implemented, which provides the basis for an engineering approach to the design of such rehabilita-tion wares. Advantages of computer modeling are demonstrated, connected with the possibility of opti-mizing design and product parameters, forecasting the special features of their operation, cost reduction of design.

Література:

  1. Вихляєв Ю.М. Корекція функціонального стану студентів технічними засобами: Монографія. – К.: НТУУ «КПІ», 2006. – 308 с.
  2. Вихляєв Ю.М. Особливості фізіотерапевтичних впливів на відновлення стопи і гомілки підлітків-спортсменів // Науковий часопис НПУ ім. М.П. Драгоманова. Серія №15. – К.: Вид-во НПУ ім. М.П.Драгоманова. – 2018. – Вип. 3к (97) 18. – С. 111 – 114.
  3. Landorf K.B., Keenan A.M., Herbert R.D. Effectiveness of foot orthoses to treat plantar fasciitis: a randomized trial. Arch Intern Med. 2006. Vol. 166. pp. 1305 – 1309.
  4. Pfeffer G., Bacchetti P., Deland J., Lewis A., Anderson R., Davis W. Comparison of custom and prefabricated orthoses in the initial treatment of proximal plantar fasciitis. Foot Ankle Int. 1999. Vol. 20(4). pp. 214 – 221.
  5. Chia J., Suresh S., Kuah A., Ong J., Phua J., Seah A. Comparative trial of the foot pressure patterns between corrective orthotics, Formthotics, bone spur pads and flat insoles in patients with chronic plantar fasciitis. Ann Acad Med Singapore. 2009. Vol. 38(10). pp. 869 – 875.
  6. Hsi W., Lai J., Yang P. In-shoe pressure measurements with a viscoelastic heel orthosis. Arch Phys Med Rehabil. 1999. Vol. 80. pp. 805 – 810.
  7. Robert D. Cook. Finite Element Modeling for Stress Analysis. Wiley. 1995. 336 p.
  8. Wriggers, VuVan, Stein. Finite element formulation of large deformation impact-contact problems with friction. Computers and structures. 1990. Vol. 37, pp. 319 – 331.
  9. Arruda E.M., Boyce M.C. A three-dimensional constitutive model for the large stretch behavior of rubber elastic materials. Journal of the mechanics and physics of solids. 1993. Vol. 41 (2). pp. 389 – 412.
  10. Bergstrom J.S., Boyce M.C. Constitutive modeling of the large strain time-dependent behavior of elastomers. Journal of the mechanics and physics of solids. 1998. Vol. 45 (5). pp. 931 – 954.
  11. Bonet J., Wood R.D. Nonlinrar continuum mechanics for finite element analysis. Cambridge University Press. 1997.
  12. Gyimesi M., Lavers D., Pawlak T., Ostergaard D. Application of the general potential formulation in the ANSYS Program. IEEE Transactions on Magnetics. 1993. Vol. 29, pp. 1345 – 1347.
  13. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. Едиториал УРСС. – 2003. – 272 с.
  14. Bryan J. Mac Donald. Practical Stress Analysis with Finite Elements (2nd Edition). Glasnevin Publishing, 2011, 402 p.
  15. Tamma Kumar K., Namburu Raju R. Recent advances, trends and new perspectives via enthalpy-based finite element formulations for applications to solidification problems. International journal for numerical methods in engineering, 1990, Vol. 30. pp. 803 – 820.
  16. Jack Zecher, Fereydoon Dadkhah. ANSYS Workbench Tutorial with Multimedia CD Release 12. Schroff Development Corporation. – 2009. – 256 p.
  17. Бруяка В.А., Фокин В.Г., Солдусова Е.А., Глазунова Н.А., Адеянов И.Е. Инженерный анализ в ANSYS Workbench. Часть I: Учебное пособие. Самар. гос.  техн. ун-т. – 2010. – 271 с.
  18. Бруяка В.А., Фокин В.Г., Кураева Я.В. Инженерный анализ в ANSYS Workbench. Часть II: Учебное пособие. Самар. гос.  техн. ун-т. – 2013. – 149 с.
  19. Жидков А.В. Применение системы ANSYS к решению задач геометрического и конечно-элементного моделирования. – Нижний Новгород. – 2006. – 115 с.
  20. Басов К.А. ANSYS: Справочник пользователя. ДМК Пресс. – 2005. – 640 с.

 

References:

  1. Vykhliaiev, Y. (2006). Correction of functional state of students by technical tools (in Ukrainian). Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 308.
  2. Vykhliaiev, Y. (2018). Peculiarities of physiotherapeuticinfluences on rehabilitation of feet and legs of juniors-sportsmen. (in Ukrainian). Scientific Journal of Dragomanov National Pedagogical University, 3k (97), 18, 111-114.
  3. Landorf, K.B., Keenan, A.M., Herbert, R.D. (2006). Effectiveness of foot orthoses to treat plantar fasciitis: a randomized trial. Arch Intern Med., 166, 1305-1309.
  4. Pfeffer, G., Bacchetti, P., Deland, J., Lewis, A., Anderson, R., Davis W. (1999). Comparison of custom and prefabricated orthoses in the initial treatment of proximal plantar fasciitis. Foot Ankle Int., 20(4), 214-221.
  5. Chia, J., Suresh, S., Kuah, A., Ong, J., Phua, J., Seah, A. (2009). Comparative trial of the foot pressure patterns between corrective orthotics, Formthotics, bone spur pads and flat insoles in patients with chronic plantar fasciitis. Ann Acad Med Singapore, 38(10), 869-875.
  6. His, W., Lai, J., Yang, P. (1999). In-shoe pressure measurements with a viscoelastic heel orthosis. Arch Phys Med Rehabil., 80, 805-810.
  7. Cook, Robert D. (1995). Finite Element Modeling for Stress Analysis. Wiley, 336.
  8. Wriggers, VuVan, Stein. (1990). Finite element formulation of large deformation impact-contact problems with friction. Computers and structures, 37, 319-331.
  9. Arruda, E.M., Boyce, M.C. (1993). A three-dimensional constitutive model for the large stretch behavior of rubber elastic materials. Journal of the mechanics and physics of solids, 41 (2), 389-412.
  10. Bergstrom, J.S., Boyce, M.C. (1998). Constitutive modeling of the large strain time-dependent behavior of elastomers. Journal of the mechanics and physics of solids, 45 (5), 931-954.
  11. Bonet, J., Wood, R.D. (1997). Nonlinrar continuum mechanics for finite element analysis. Cambridge University Press.
  12. Gyimesi, M., Lavers, D., Pawlak, T., Ostergaard, D. (1993). Application of the general potential formulation in the ANSYS Program. IEEE Transactions on Magnetics, 29, 1345-1347.
  13. Kaplun, A., Morozov, E., Olferieva, M. (2003). ANSYS in the hands of an engineer. Practical guide. (in Russian). Editorial URSS, 272.
  14. Mac Donald, Bryan J. (2011). Practical Stress Analysis with Finite Elements (2nd Edition). Glasnevin Publishing, 402.
  15. Tamma, Kumar K., Namburu, Raju R. (1990). Recent advances, trends and new perspectives via enthalpy-based finite element formulations for applications to solidification problems. International journal for numerical methods in engineering, 30, 803-820.
  16. Zecher, Jack, Ddkhah, Fereydoon. (2009). ANSYS Workbench Tutorial with Multimedia CD Release 12. Schroff Development Corporation, 256.
  17. Brujaka, V., Fokin, V., Soldusova, E., Glazunova, N., Adejanov, N. (2010). Engineering analysis in ANSYS Workbench (in Russian). Part I: Tutorial. Samara State University, 271.
  18. Brujaka, V., Fokin, V., Kuraieva, Y. (2013). Engineering analysis in ANSYS Workbench (in Russian). Part II: Tutorial. Samara State University, 149.
  19. Jidkov, A. (2006). ANSYS system apply for problem solving and finite element solving. (in Russian). Nizhny Novgorod, 115.
  20. Basov K. (2005). ANSYS: User handbook (in Russian). DMK Press, 640.