Bùi Hệ ThốngKhoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà NẵngTóm tắt - Nghiên cứu này nhằm xác định sự phân bố áp suấtgiữa các loại ghế ngồi và mông-đùi cơ thể người nhằm đá
1 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 MƠ HÌNH HĨA PHÂN PHỐI ÁP LỰC CỦA TẢI TRỌNG CƠ THỂ NGƯỜI TRÊN GHẾ NGỒI MODELING OF THE PRESSURE DISTRIBUTION OF THE BODY LOADING ON THE SEAT SVTH: Nguyễn Quang Hợp1, Trần Xuân Lộc 1, Nguyễn An2 1Lớp 17CTM1, 2Lớp 18C1, Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng GVHD: TS Bùi Hệ Thống Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Nghiên cứu nhằm xác định phân bố áp suất Abstract - This study aims to determine the distribution of loại ghế ngồi mông-đùi thể người nhằm đánh giá, pressure between the seat types and the buttocks-thigh tissue of để cải thiện thoải mái nâng cao suất công việc the human body for evaluation, to improve comfort and enhance Nghiên cứu sử dụng phương pháp mơ hình hóa mơ work productivity The research uses a finite element modeling phần tử hữu hạn tương tác ghế gỗ, ghế đệm mông- and simulation of the interaction between wooden chairs, đùi nhằm xác định yếu tố gây nên áp lực là: áp cushioned chairs and buttocks-thigh tissue to identify factors that suất bề mặt mông-đùi đệm, ứng suất bên mông-đùi, can cause pressure such as: pressure distribution at the buttocks- phân bố bề mặt tương tác Trong nghiên cứu, mơ hình thigh tissue surface and cushion surface, stress of buttocks-thigh phần tử hữu hạn y sinh chiều (3D) gồm thể người tissue and shear stress distribution at the interaction surface In loại ghế làm từ vật liệu gỗ đệm sử dụng Mô số the study, a 3-dimensional biomedical (3D) biomedical element thực phần mềm Abaqus® 6.14 Các kết thu model composed of the human body and seat types which made trong nghiên cứu trị số áp lực, ứng from materials like wood and polyurethane foam cushion used suất bên mông-đùi, ứng suất cắt phân bố bề mặt mông- The numerical simulation is performed via the Abaqus® 6.14 đùi loại ghế, nhằm giúp người ngồi có tư software The results obtained in the study will indicate the value ngồi thoải mái công việc of pressure, stress on the buttocks-thigh, shear stress distribution at the surface of the buttocks-thigh and chairs, to help Từ khóa - ghế gỗ; ghế đệm; mô mông-đùi; phần tử hữu hạn; passengers get a more comfortable posture at work mô hình hóa; mơ Key words - wooden chairs; sofa; buttocks-thigh tissue; finite element; modeling; simulation Đặt vấn đề 2.1 Mơ hình mơng- đùi loại ghế Mơ hình mơ mơng-đùi thể người chọn dựa Theo Mayo Clinic, phân tích 13 nghiên cứu kết luận rằng, thời gian ngồi mức độ hoạt động tìm tiêu chuẩn ISO 16840-2: 2007 [2] từ mơ hình “cơ thể thấy người ngồi ngày mà khơng người” có liên quan đến vị trí ngồi sử dụng [3- có hoạt động thể chất có nguy tử vong tương tự 4] Mơ hình thiết kế phần mềm SolidWorks nguy tử vong béo phì hút thuốc [1] Do tính hình Do phức tạp cấu trúc hình học chất cơng việc nên nhân viên văn phịng thường ngồi mông-đùi thể người, nên nhóm tác giả sử dụng nhiều liên tục vị trí làm việc, điều dẫn đến nghiên cứu mơ hình 3D đồng hóa gồm mơ thể mỏi mệt, xuất triệu chứng đau cổ vai gáy, biến dạng, có khối lượng 75 kg để thực lưng hông cảm giác tê buốt vùng mô đêm phần mô mô số mông phần xương chậu Chính vậy, việc lựa chọn ghế ngồi làm việc vừa đảm bảo thoải mái, vừa tốt cho Hình 1: Mơ hình thể người sử dụng ghế đệm sức khỏe điều cần thiết nhân viên văn Ghế ngồi sử dụng nghiên cứu bao gồm phịng nói riêng cách chọn vật liệu làm ghế hai loại ghế, loại thứ ghế có tựa lơn cở cao sử tư ngồi cho thích hợp mạng lại hiệu công dụng loại đệm bọt ‘‘Polyurethane’’ (PUR), sử việc sức khỏe cho người sử dụng Trong báo này, mơ hình phần tử hữu hạn chiều (3D) sử dụng để định lượng yếu tố phân phối áp lực tải trọng thể người tương tác với bề mặt ghế ngồi đệm ghế Mục đích nghiên cứu xác định yếu tố gây cảm giác nhức phần mô mông áp lực tác dụng lên mô vùng xương chậu như: áp suất bề mặt mông – đùi, ứng suất von Mises, áp suất cắt ma sát gây ra… Cơ sở lý thuyết Nguyễn Quang Hợp, Trần Xuân Lộc, Nguyễn An dụng phổ biến thị trường, với kích thước ghế Trong đó, W – trạng thái lượng vật liệu biến là: Lg x Wg x Hg = 670 x 520 x 822 đệm trung dạng, N – bậc đa thức lượng biến dạng, N=1, 2, bình là: Lđ x Wđ x Hđ (dài x rộng x cao) = 670 x 520 x 100 tương ứng, μi, αi, βi - tham số vật liệu phụ thuộc mm đặt cố định bề mặt ghế tiếp xúc có nhiệt độ, i = 1,2, 3; λi - Tỷ lệ co giãn chính, i =1, 2, 3, Jel - ma sát với mơng-đùi thể người (Hình 1) Loại ghế thứ tỷ lệ thay đổi thể tích biến dạng đàn hồi biến dạng hai sử dụng nghiên cứu loại ghế gỗ có chất nhiệt, tương ứng Trong báo này, lượng biến lượng thường (gỗ thơng) khơng sử dụng đệm lót với bề dạng sử dụng gồm bậc (N=2) Đặc tính vật liệu dày mặt đáy ngồi 30 mm, chiều cao toàn ghế PUR xác định thí nghiệm nén đơn trục thí 800mm, chiều rộng phủ bề 500mm(Hình 2) nghiệm cắt đơn giản Thông số hyperfoam vật liệu đệm (PUR) [8] sử dụng mô phần mềm Cả hai loại ghế sử dụng nghiên cứu ABAQUS® tóm gồm thơng số sau: thiết kế phần mềm Solidworks® μ1=164,861 kPa ; α1=8,88413 kPa ;β1=0 μ2 =0,023017 kPa ; α2 =-4,818 kPa ; β2 =0 ; Ngồi vật liệu PUR cịn có đặc tính đàn hồi nhớt, xác định dựa vào chuỗi Prony theo thời gian cho mô đun cắt sử dụng Do phụ thuộc thời gian mô đun khối lượng thường nhỏ (0) loại vật liệu này, nên đặc tính siêu đàn hồi mơ hình vật liệu giới hạn mô đun cắt Trong nghiên cứu này, mô đun cắt phụ thuộc thời gian, G (t), định nghĩa theo thuật ngữ mô đun cắt tức thời, G0, sau: N t G(t) G0 Gi (1 eGi ) Hình 2: Mơ hình thể người ghế gỗ i 1 (3) 2.2 Vật liệu sử dụng mơ hình Ở i thời gian N thứ tự chuỗi Prony G Vật liệu ghế gỗ sử nghiên cứu (chọn G0 Gi tương ứng mô đun cắt tức thời tương đối, N gỗ thơng) có thuộc tính học là: khơng tuyến tính, số bậc chuỗi Prony (N=2, nghiên cứu này) đẳng hướng, đàn hồi, nén với hệ số poisons là: Các thông số đàn hồi nhớt sử dụng báo = 0.25; module đàn hồi E = 8963MPa; khối lượng trích dẫn từ [5, 8] sau: riêng: = 650 kg/m3 Với phương trình lượng – biến dạng đàn hồi W1 xác định theo Neo-Hookean G1 0, 3003;1 0, 010014s G2 0,1997; 0,1002s sau: Do phức tạp lớn tồn tính chất vật liệu W 1= μ2 ( I 1−3 ) (1) thể người Để đơn giản hóa tính chất vật liệu nhóm tác giả trình bày trên: mơ hình đồng hóa mơ Đối với ghế xoay sử dụng đệm lót vật liệu mềm thể người sử dụng, với tính chất vật liệu Polyurethane foam (PUR) Vật liệu đệm PUR siêu đàn khơng tuyến tính, đẳng hướng, đồng gần hồi, khơng tuyến tính, đẳng hướng, nén khơng nén được, có thuộc tính siêu đàn hồi với phương trình biến dạng lớn cho vật liệu mô mông-đùi theo Mối quan hệ ứng suất biến dạng biểu tài liệu tham khảo [3-5, 8] Mơ hình siêu đàn hồi Mooney – diễn phương trình lượng-biến dạng đàn hồi W2, Rivlin sử dụng cho hành vi học mô mông- sau: đùi Mô hình dựa biến thiên lượng biến dạng định nghĩa phương trình sau: N 2i i i i el ii W2 1 2 3 J 1 (2) U C10 (I1 3) C01(I2 3) (J 1)2 i i i D1 (4) U lượng biến dạng đơn vị thể tích; C10, C01 - Các tham số vật liệu sử dụng để mô tả đặc tính cắt vật liệu, D1 - Thông số vật liệu sử dụng để mô tả độ nén vật liệu, Ī1, Ī2 - Hai bất biến dạng đẳng động tensors chủng Cauchy-Green, J – khối lượng thay đổi tỷ lệ vật liệu sau trước biến dạng ´I = ´λ + ´λ + ´λ Các thông số vật liệu cho mô mông-đùi lấy từ [3-4, 7] với Poisson 0.495 (Bảng 1) Bảng Thông số siêu đàn hồi Mooney–Rivlin mô mông-đùi HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 C10 (MPa) C01 (MPa) D1 (MPa-1) 0,00165 0,00335 a) b) Tương tự đặc đàn hồi nhớt vật liệu mơ mơng- Hình 4: Mơ hình lưới phần tử hữu hạn mơng-đùi đùi xác định tương tự vật liệu PUR đệm loại ghế; a) ghế gỗ, b) ghế có đệm ghế ngồi, cách sử dụng mơ hình chuỗi Prony theo thời gian phương trình (3) Các thơng số đàn hồi nhớt Trong mơ hình phần tử hữu hạn hình 4.a, mông – cho vật liệu mô mông-đùi thiết lập g1 = 0,5, đùi ghế gỗ, sử dụng loại phần tử tứ diện C3D4 với số k1 = 0,5 τ1 = 0,8 s [5, 8] phần tử 80280 phần tử (tetrahedral elements) 80 phần tử tam giác (triangular elements R3D3) với tổng số 2.3 Tương tác mông - đùi vào bề mặt ghế nodes 18569 Tương tự, mơ hình phần tử hữu hạn hình 4.b, mông-đùi ghế đệm, sử dụng loại phần tử Sự tương tác mô mông-đùi đệm xe lăn tứ diện C3D4 với số phần tử 132857 phần tử phân tích ABAQUS®/ Explicit 6.14 sử dụng thuật (tetrahedral elements) 234 phần tử tam giác (triangular toán cặp tiếp xúc Sự tương tác cặp tiếp xúc xác elements R3D3) với tổng số nodes 26579 định bề mặt mô mông-đùi với bề mặt đệm ghế ngồi PUR bề mặt ghế gỗ Trong nghiên cứu này, nhóm tác Kết thảo luận giả sử dụng thuật toán liên hệ phương pháp hình phạt với trượt hữu hạn (ma sát Coulomb) cho mô 3.1 Áp lực tiếp xúc số Dạng tiếp xúc ‘‘bề mặt với bề mặt’’, hệ số ma sát bề mặt mông đùi đệm ghế ngồi 0,5 [6-7] Hình 5, thể áp lực tiếp xúc lớn 36,6 kPa bề mặt ghế gỗ 0,3 sử dụng nhằm xác định cặp tiếp tập trung bề mặt mô mông-đùi thể người/ghế xúc mơ hình “mơng-đùi” “đệm ghế/ghế gỗ” Bề mặt có đệm PUR nơi mà trọng lượng thể tập trung nhiều mô mông-đùi liên kết với bề mặt cứng nhắc cách tiếp xúc “dính kết” a) b) Hình 3: Mơ hình tương tác –điều kiện biên mơng đùi với Hình 5: Áp lực phân bố bề mặt mông-đùi/ghế đệm ghế gỗ (a) ghế có đệm (b) Trong điều kiện mơ hình hóa vị trí ngồi, 2.1 Tải trọng áp dụng điều kiện biên kết thể hình cho thầy giá trị áp lực lớn sử dụng ghế gỗ là: 47,3 kPa Điều cho thấy Tải trọng áp dụng báo thể giảm áp lực tiếp xúc khoảng 1,3 lần trường hợp người có khối lượng 75 kg giới thiệu Do sử dụng ghế ngồi có lớp đệm PUR dày 10mm Chứng tính chất đối xứng mơ hình tính tốn, chúng tơi giả tỏ việc sử dụng vật liệu đệm cấu trúc đệm cho ghế định mơ số mơ hình tính tốn đối xứng ngồi quan trọng trọng việc giảm áp lực phân bố tuyệt đối, để giảm thời gian tính tốn cho mơ hình số, Đây yếu tố góp cải thiện chất lượng chúng tơi sử dụng mơ hình mơng đùi vị trí ngịi làm việc để nâng cao hiệu công việc hai loại ghế ngồi (ghế gỗ ghế có đệm Bề mặt đáy nhân viên văn phòng ghế có đệm cố định cứng khơng cho di chuyển, ghế gỗ chân ghế cố định chặt không cho di chuyển Mô thể người (mông-đùi) xét trường hợp ngồi tĩnh tương tác có ma sát với đệm ghế PUR ghế gỗ, đồng thời xoay quanh trục X tịnh tiến theo trục Y Gia tốc trọng trường g = 9.81 m/s2 áp dụng cho trường hợp nghiên cứu Nguyễn Quang Hợp, Trần Xuân Lộc, Nguyễn An Hình 6: Áp lực phân bố bề mặt mông-đùi/ghế gỗ 3.2 Phân bố áp suất cắt Các kết thể hình số 8, cho thấy ứng suất cắt bề mặt mông – đùi sử dụng hai loại ghế gỗ ghế có đệm PUR tương ứng với hệ số ma sát nêu Hình 7: Áp suất cắt bề mặt tiếp xúc mơng-đùi/ghế Hình Ứng suất von Mises mơng-đùi/ghế có đệm có đệm PUR PUR Trong mơ hình nghiên cứu, giá trị áp suất cắt phân bố Giá trị ứng suất von Mises lớn tương ứng với lớn bề mặt mông – đùi sử dụng ghế có đệm trường hợp : 1,6 MPa sử dụng ghế gỗ PUR là: 7,7 kPa So sánh với áp suất cắt bề mặt mông- 150 kPa sử dụng ghế có đệm dày 10cm đùi trường hợp sử ghế gỗ với áp suất cắt là: 10,81 kPa Điều giải thích trường hợp nghiên cứu này, cấu trúc lớp đệm đệm PUR dày 10mm làm giảm đáng kể giá trị áp suất cắt bề mặt mông – đùi Đây sở để cải thiện thoải mái ngồi liên tục vị trí làm việc nhân viên văn phịng Hình 8: Áp suất cắt bề mặt tiếp xúc mơng-đùi/ghế Hình 10: Ứng suất von Mises mông-đùi/ghế gỗ gỗ Kết luận 3.1 Ứng suất bên mô mông-đùi Một phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều Trong nghiên cứu này, ứng suất von Mises tập trung phát triển cho mơ hình ghế đệm ghế gỗ với mơng-đùi mơng-đùi hai loại ghế xác định phương thể người Kết nghiên cứu cho thấy pháp phần tử hữu hạn Hình hình 10 cho thấy đệm loại PUR sử dụng thích ứng với khả phân bố ứng suất tương đương von Mises chủ yếu giảm áp lực, ứng suất, áp lực cắt bề mặt tương tác so bề mặt tương tác mông-đùi hai loại ghế sử dụng với ghế gỗ, điều giúp cải thiện thoải mái Bước (ghế gỗ ghế có đệm PUR) nghiên cứu này, nhóm tác giả tích hợp mơ hình 3D có xét đến ảnh hưởng lớp da hệ xương, để định lượng áp suất cắt với hệ số ma sát tiếp xúc thay đổi áp lực bên mô xương Đồng thời đánh thực mô đánh giá tư ngồi khác đến thay đổi áp lực mô số thực nghiệm số đối tượng Tài liệu tham khảo [1] https://www.forbes.com/sites/nicolefisher/2019/03/06/americans- sit-more-than-anytime-in-history-and-its-literally-killing-us/ #37032dfa779d [2] Norme ISO, 2007 Wheelchair seating Part 2: Determination of physical and mechanical characteristics of devices intended to manage tissue integrity Seat cushions [3] Bui, H.T., Pradon, D., Lestriez, P., Debray, K and Taiar, R., 2018 The prevention of pressure ulcers: biomechanical modelization and simulation of human seat cushion ontributions Springer as Lecture Notes in Mechanical Engineering 80, 1157-1170 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 [4] Bui, H.T., Lestriez, P., Pradon, D., Debray, K and Taiar, R., 203 2018 Biomechanical modeling of medical seat cushion and [7] Mohanty, P.P and Mahapatra, S.S, 2014 A finite element human buttock-tissue to prevent pressure ulcers Russian Journal approach for analyzing the effect of cushion type and thickness on of Biomechanics, 22 (1), 37-47 pressure ulcer International Journal of Industrial Ergonomics, [5] Tang, C.Y., Chan, W and Tsui, C.P, 2010 Finite element 44(4), 499–509 analysis of contact pressures between seat cushion and human [8] Grujicic, M., Pandurangan, B., Arakere, G., Bell, W.C., He, T buttock–thigh tissue Engineering, 2(9), 720–731 and Xie, X., 2009 Seat-cushion and soft-tissue material modeling [6] Verver, M.M., Van Hoof, J., Oomens, C.W.J., Wismans, J.S.H.M and a finite element investigation of the seating comfort for and Baaijens, F.P.T, 2004 A finite element model of the human passenger-vehicle occupants Materials & Design 30(10), 4273– buttocks for prediction of seat pressure distributions Computer 4285 Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 7(4), 193– [1]