بخشی از مقاله
مقدمه
یکی از اندام هایی که در معرض بیشترین آسیب در ورزش دوچرخه سواری می باشد سر و گردن ورزشکاران می باشد. یکی از اتفاقات شایع در ورزش دوچرخه سواری افتادن ورزشکار به زمین و برخورد سر ورزشکار به زمین است. برای جلوگیری از آسیب های جدی به جمجمه سر انسان از کاله های محافظ استفاده می شود. در طی فرایند برخورد سر ورزشکار به زمین به دلیل داشتن نیروی اینرسی و سرعتی که سر ورزشکار دارد، سر و گردن ورزشکار در معرض شتاب های خطی و زاویه ای قرار می گیرد.
در این تحقیق بررسی المان محدود کاله دوچرخه سواران در حین ضربه مستقیم و مایل 30 درجه به سر آنان مورد بررسی قرار گرفته است. اهمیت این تحقیق از آن جهت است که در ورزش دوچرخه سواری ضربه وارد به سر در حین برخورد به زمین از مهم ترین و شایع ترین آسیب دیدگی ها می باشد که به اندام های مختلف سر و گردن می تواند آسیب های جدی و جبران ناپذیری را وارد کند. یکی از راه های جلوگیری از این خطرات استفاده از کاله مناسب برای محافظت سر و گردن می باشد.
روش شناسی تحقیق
هندسه و مدل سازی گرافیکی
هندسه کاله های حرفه ای دوچرخه سواری بسیار پیچیده بوده و به دالیل آیرودینامیکی شکل خاص و پیچیده ای دارد. از طرفی دارای سوراخ هایی برای تهویه می باشد که در این تحقیق کاله را به صورت ساده و به صورت قسمتی از پوسته کروی در نظر گرفته شده است .[3]همچنین این کاله ها دارای بندی برای نگه داشتن کاله در سر و فیکس کردن آن است که در این تحقیق به دلیل پیچیدگی طراحی آن را با مدلی االستیک جایگزین کرده ایم. از طرفی سر ورزشکار به صورت کره ای توپر در نظر گرفته شده است.
مرحله طراحی این قسمت ها توسط نرم افزار آباکوس صورت گرفته است.
در مرحله اول سطح جاده با استفاده از ماژول اکسترود تولید میشود. در مرحله ی بعدی کاله به صورت قسمتی از یک پوسته کروی ساخته می شود. در قسمت آخر طراحی سر انسان به صورت کره ای توپر مدلسازی می شود.
شکل:1مدل سه بعدی کاله، سر و سطح جاده
در آخر نوبت به در کنار هم قرار دادن قسمت های مختلف مدل می شود. این عمل در محیط سوار کردن اجزا نرم افزار آباکوس انجام میشود و قسمت های مختلف در کنار یک دیگر قرار میگیرند.
نسبت دادن خواص به قطعات مورد نظر مشخصات هر بخش به صورت زیر در نظر گرفته شده است.
جدول:1خواص مواد سازنده مدل
تعریف سطوح تماس بین قطعات
همانگونه که درمدل مشخص است سطوحی از مدل در تماس با یکدیگر می باشند. دراین بخش سطوح را تعریف و در بخش بعد نوع تماس بین آنها را تعیین خواهید کرد. تماس بین سطوح را از نوع قید کامل در نظر میگیریم . برای تعریف سطوح به شیوه ی زیر عمل میکنیم.
اعمال شرایط مرزی و بارگذاری به مدل
سطح جاده که سر و کاله ورزشکار به آن برخورد می کند، کامال مقید شده است و هیچگونه سرعت و جابه جایی ندارد و دارای یک نقطه مرجع می باشد. همچنین محور مختصات روی سطح جاده قرار گرفته است. سر و کاله با یک آستر به هم وصل شده اند که با نیروی االستیک مدلسازی شده است.
نیروی وزن و اینرسی بدن شخص در هنگام افتادن و برخورد به سطح زمین توسط نیروهایی در 3 راستا مدل شده است. نیرو ها در راستا های مختلف به ترتیب دارای -800، 100 و 20 نیوتن می باشد.
سر و کاله با سرعت های تعریف شده در جهات مماسی و عمودی به زمین برخورد می کند. این سرعت ها به ترتیب در جهات مماسی و عمودی 5 و 5.4 متر بر ثانیه می باشد.
برخورد بین کاله و سطح جاده به صورت اصطکاک پنالتی با ضریب اصطکاک 0.25 می باشد. فرمول بندی اصطکاکی برای سر خوردن االستیک استفاده شده است.
المان بندی مدل
همانطور که قبل تر گفته شد در روش اجزا محدود مدل به المان های کوچکتر تقسیم میشود و حل سیستم در این المان ها انجام میشود. از آنجایی که مدل مورد نظر در قسمت شکستگی ها و همچنین در قسمت لبه ها دارای گرادیان باال هست پس ابعاد مش باید بر اساس هندسه ی شکل در نظر گرفته شود به همین منظور ابعاد مش را در مرحله ی اول 1.1 میلیمتر فاصله ی بین هر گره را در نظر میگیریم و در مرحله ابعاد را کوچکتر مینماییم تا به آزادی شبکه از مش بررسیم یعنی اندازه مش در داخل حل تاثیر نداشته باشد. نوع المان مورد استفاده در این تحقیق المان چهار وجهی چهار گره ای است. در زیر روش مش زدن در نرم افزار آباکوس توضیح داده شده است.
شکل:2 مش بندی چهار گره ای کاله
بحث و نتیجه گیری
برای بررسی نتایج از مدلی که دارای گره شماره 6 است استفاده مینماییم زیرا اثبات کردیم که دارای استقالل شبکه است. در زیر کانتور تنش برای مدل مربوطه رسم شده است.کانتور تنش فون مایزز به صورت زیر می باشد.
شکل:3کانتور تنش فون مایزز سر و کاله
همانطور که در شکل مشاهده میشود تمرکز تنش در محل ضربه و همچنین لبه های کاله وجود دارد.
