최근 들어 부강을 방지하고 경기력을 향상시킬 수 있는 스포츠화를 개발하기 위해 신체운동학과 생체역학을 반영한 연구가 전세계적으로 활발히 수행되고 있다. 하지만, 이러한 연구의 성골 여부는 스포츠화와 발의 동적 거동, 특히 착지 충격 특성 평가의 신뢰성에 절대적으로 좌우된다. 그 이유로는 코트 스포츠운동에 있어서 착지충격력이 예상치 못한 부상과 경기력의 주요한 요인이기 때문이다. 이 연구는 맨발과 대표적인 코트 스포츠화의 착지충격 특성을 평가하기 위해 유한요소 해석을 적용하였다. 사람의 발과 신발사이의 연계효과를 정확히 반영하기 위해 별도의 실험 데이터에 의존하지 않는 완전한 3차원 발-신발 FEM 모델을 생성하였다. 수치 시뮬레이션을 통해 FEM 모델의 신뢰성을 평가함과 동시에 여러 가지 스포츠화의 GRF, MIF 및 주파수 응답과 같은 착지충격 특성들을 분석하였다.
최근 들어 부강을 방지하고 경기력을 향상시킬 수 있는 스포츠화를 개발하기 위해 신체운동학과 생체역학을 반영한 연구가 전세계적으로 활발히 수행되고 있다. 하지만, 이러한 연구의 성골 여부는 스포츠화와 발의 동적 거동, 특히 착지 충격 특성 평가의 신뢰성에 절대적으로 좌우된다. 그 이유로는 코트 스포츠운동에 있어서 착지충격력이 예상치 못한 부상과 경기력의 주요한 요인이기 때문이다. 이 연구는 맨발과 대표적인 코트 스포츠화의 착지충격 특성을 평가하기 위해 유한요소 해석을 적용하였다. 사람의 발과 신발사이의 연계효과를 정확히 반영하기 위해 별도의 실험 데이터에 의존하지 않는 완전한 3차원 발-신발 FEM 모델을 생성하였다. 수치 시뮬레이션을 통해 FEM 모델의 신뢰성을 평가함과 동시에 여러 가지 스포츠화의 GRF, MIF 및 주파수 응답과 같은 착지충격 특성들을 분석하였다.
Recently, intensive research efforts are world-widely forced on the development of sport shoes improving both the injury protection and the playing performance by taking kinesiology and biomechanics into consideration. However, the success of this goal depends definitely on the reliable evaluation o...
Recently, intensive research efforts are world-widely forced on the development of sport shoes improving both the injury protection and the playing performance by taking kinesiology and biomechanics into consideration. However, the success of this goal depends definitely on the reliable evaluation of the dynamic responses of sport shoes and human foot, particularly the landing impact characteristics. It is because the landing impact force is a main source of unexpected injuries and influences the playing performance in court sport activities. This paper addresses the application of finite element method to the evaluation of landing impact characteristics of barefoot and several representative court sport shoes in running. In order to accurately reflect the coupling effect between human foot and shoes accurately, we construct a fully coupled three-diemensional foot-shoe FEM model which does not rely on the independent experimental data any more. Through the numerical simulation, we assessed the reliability of the numerical FEM model by comparing with the experimental results and investigated the landing impact characteristics, such as GRF, MIF, acceleration and frequency responses, of representative court sport shoes.
Recently, intensive research efforts are world-widely forced on the development of sport shoes improving both the injury protection and the playing performance by taking kinesiology and biomechanics into consideration. However, the success of this goal depends definitely on the reliable evaluation of the dynamic responses of sport shoes and human foot, particularly the landing impact characteristics. It is because the landing impact force is a main source of unexpected injuries and influences the playing performance in court sport activities. This paper addresses the application of finite element method to the evaluation of landing impact characteristics of barefoot and several representative court sport shoes in running. In order to accurately reflect the coupling effect between human foot and shoes accurately, we construct a fully coupled three-diemensional foot-shoe FEM model which does not rely on the independent experimental data any more. Through the numerical simulation, we assessed the reliability of the numerical FEM model by comparing with the experimental results and investigated the landing impact characteristics, such as GRF, MIF, acceleration and frequency responses, of representative court sport shoes.
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문제 정의
달리기용으로 경 량성을 주요 특성으로하는 마라톤화, 많은 횡적운동에 대한 안정성을 우선시하는 테니스화, 잦은 점핑동작에 대한 충격흡수성을 관심으로하는 농구화 등의 다양한 코트 스포츠화들을 착용시의 인체의 착지 충격 시 특성 및 스포츠화의 충격흡수성능을 과학적으로 정량화하기 위한 연구를 수행하였다. 이러한 과정으로 실제 실험치에 기인한 신뢰성의 확보와 함께 이를 바탕으로 고기능성 스포츠화 개발을 위하여 실제 신발 완제품의 개발 및 평가에 적용할 수 있는 진보된 스포츠화 설계방안을 마련하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 인간의 하지와 신발을 연계한 3차원 모델을 각종 자료를 토대로 신뢰성 있게 생성하였다. 그리고 유한요소 해석기법 중에서 충격해석, 3차원 형상, 접촉문제 등에 유리한 외연적방법 (explicit method)으로 3차원 런닝 동작시의 거동인 발목배저굴운동(dor si-plantar flexion)을 수치적으로 분석하였다.
본 연구에서는 이러한 관점에서 모델생성과 해석의 난해함으로 기존의 스포츠역학 및 생체역학에만 의존해오던 스포츠화의 개발기술에 유한요소 해석기법과의 접목을 시도하였다.
(Nigg, 1986; Cavanagh, 1990). 본 연구에서도 이러한 발목 배저굴 운동을 유한요소 해석을 통하여 구현하고 또한 착지 시 충격 특성을 수치해석적으로 분석한다.
정량화하기 위한 연구를 수행하였다. 이러한 과정으로 실제 실험치에 기인한 신뢰성의 확보와 함께 이를 바탕으로 고기능성 스포츠화 개발을 위하여 실제 신발 완제품의 개발 및 평가에 적용할 수 있는 진보된 스포츠화 설계방안을 마련하고자 한다.
가설 설정
받는 셸요소로 모델링하였다. 또한; 모든 코트스포츠화 부품들은 실제와 같이 완전히 접착되었다고 가정하였다. 그리고, 인체의 하지는 무릎까지로 제한하여 모델링한 후 코트 스포츠화와 연계시켰다.
제안 방법
갑피는 가죽재질로서 두께가 일정하고 굽힘과 인장력만을 받는 셸요소로 모델링하였다. 또한; 모든 코트스포츠화 부품들은 실제와 같이 완전히 접착되었다고 가정하였다.
그리고 유한요소 해석기법 중에서 충격해석, 3차원 형상, 접촉문제 등에 유리한 외연적방법 (explicit method)으로 3차원 런닝 동작시의 거동인 발목배저굴운동(dor si-plantar flexion)을 수치적으로 분석하였다.
또한; 추진단계를 구현하기 위해 발의 전족부에 약 lBW(body weight) 의 전 진력을 부여시간을 세분화하여 적용하였다. 그리고, 인체의 체중 60kg을 부과하기 위해서 하지의 무게중심에 60kg의 질량 요소를 추가하였다. 변위경계조건으로는 지면의 모든 절점의 자유도를 구속하였고, 접촉경계조건으로는 지면과 아웃솔에 0.
또한; 모든 코트스포츠화 부품들은 실제와 같이 완전히 접착되었다고 가정하였다. 그리고, 인체의 하지는 무릎까지로 제한하여 모델링한 후 코트 스포츠화와 연계시켰다. 실제 발의 하지 구조는 뼈 인대, 피부 근육 등의 매우 복잡한 구조이지만 해석을 위해 피부(tissue)와 뼈(bone)로 비교적 단순화 시켰다.
중력 하에서 100mm 높이로 부터 지면에 착지하는 초기속도를 1, 400mm/sec 로 부여하였고, 인간의 일반적인 런닝 속도인 4, 500mm/s를 적용시켰다. 또한; 추진단계를 구현하기 위해 발의 전족부에 약 lBW(body weight) 의 전 진력을 부여시간을 세분화하여 적용하였다. 그리고, 인체의 체중 60kg을 부과하기 위해서 하지의 무게중심에 60kg의 질량 요소를 추가하였다.
본 연구에서는 FFT로 변환된 가속도를 구하기 위하여 필터링으로 노이즈를 제거하고, 3~80Hz 대역으로 주파수 영역을 설정하였다.<그림 12>에 하지 세 부위에서의 주파수 응답을 맨발과 각 스포츠화에 대하여 나타내었다.
본 연구에서는 인체의 하지인 맨발과 코트별로 특색을 갖는 마라톤화, 테니스화 그리고 농구화에 대한 형상 및 유한요소 모델을 각각 생성하였다. 맨발은 해부학을 참조하여 모델링하였으며, 각각의 코트 스포츠화는 신발 도면을 참조하였다.
생체역학에서는 일반적으로 런닝운동 착지 시 하지에서 발생한 고주파수가 머리 부근으로 전달되었을 때 저주파수로 감쇠되는 전달특성을 나타내는데, 주로 신체의 주요 부위에서 중격파를 측정하여 주파수 전달특성을 평가한다. 본 연구에서도 시간 함수로 표현되는 수직 진동가속도를 주파수 영역으로 변환하여 신체 각 부위에서의 주파수 감쇠특성을 수치 해석적으로 분석하였다';
갈수록 상당한 감쇠를 나타내었다. 신발 착용으로 인한 충격흡수 효과도 확인하였다.
그리고, 인체의 하지는 무릎까지로 제한하여 모델링한 후 코트 스포츠화와 연계시켰다. 실제 발의 하지 구조는 뼈 인대, 피부 근육 등의 매우 복잡한 구조이지만 해석을 위해 피부(tissue)와 뼈(bone)로 비교적 단순화 시켰다.<표 1>에 본 연구에 사용된 하지와 스포츠화의 각 구성요소들의 물성치를 나타내었다.
6>에 도시하였다. 중력 하에서 100mm 높이로 부터 지면에 착지하는 초기속도를 1, 400mm/sec 로 부여하였고, 인간의 일반적인 런닝 속도인 4, 500mm/s를 적용시켰다. 또한; 추진단계를 구현하기 위해 발의 전족부에 약 lBW(body weight) 의 전 진력을 부여시간을 세분화하여 적용하였다.
대상 데이터
각 모델에서의 총 유한요소 수는 맨발의 피부에 40, 850개 그리고 뼈에 15, 548개를 합하여 56, 398개이고, 발을 포함한 테니스화는 152, 488개, 마라톤화는 151, 233 개, 그리고 농구화는 145, 321개 이다.
데이터처리
<표 3>에 부상과 밀접한 관계를 가지는 중심 주파수 (CF: Central Frequency) 값을 실제 실험치와 비교하여 나타내었다. CF는 실험치와 어느 정도 일치하지만 PSD는다소 차이를 보인다.
이론/모형
본 연구에서는 수직방향으로의 비침투 접촉조건과 접선 방향으로의 동마찰 조건을 만족시키기 위하여 벌칙기법 (penalty method)을 적용한다. (Bathe, 1996).
본 연구에서는 식 (12)와 같이 재료의 인장실험데이터로부터 결정되는 상수가 5개인 James-Green-Simpson 모형의 함수를 채택하였다 (Belytschko, Liu & Moran, 2000).
한편, 미드솔과 인솔은 폴리우레탄 재질의 압축성 폼 (foam) 재질로서 구성되는데, 이를 반영하기 위해 식 (13)과 같은 Blatz-Ko 폼 모델을 사용하였다(Belytschko, Liu & Moran, 2000).
그림 2~5는 각각 맨발, 마라톤화, 테니스화 및 농구화의 부품과 조립시의 형상 및 유한요소 모델을 도시하고 있다. 형상모델링은 3차원 전용 CAD 모델러인 프로엔지니어(Pro/E)를 사용하였으며, 수치적 모델링 및 해석은 전용 유한요소해석 솔루션인 ANSYS와 LS/DYNA를 사용하였다.
성능/효과
비교하여 그림 10에 나타내었다. FEM으로 예즉한 최대중격치는 맨발에서는 8.16% 만큼 높게, 반면에 테니스화에서는 21.43%, 마라톤화에서는 22.29% 그리 고 농구화에서는 27.93% 만큼 각각 작게 예측되었다. 신발을 착용한 경우 다소 큰 차이를 모이는 것은 표 1에 나타낸 스포츠화 각 구성요소들의 물성치와 스포츠화의 형상 모델링 상의 오차에 기인한다고 판단된다.
과로부터 유한요소 해석을 통해런닝 시 하지에서의 가속도 감소 특성을 정확히 예즉할수 있음을 확인할 수 있다.
런닝 착지 시의 가속도와 주파수 전달특성은 대체적으로 실험값과 일치하며, 발의 뒤꿈치에서 무릎으로 옮겨 갈수록 상당한 감쇠를 나타내었다. 신발 착용으로 인한 충격흡수 효과도 확인하였다.
그리고 표 2에는 각 신발 착용상태에 있어서 하지 세 부위에서 발생하는 최대 가속도 값들을 나타내고 있다. 맨발보다는 신발을 착용한 경우가 뒤꿈치로부터 정강이로의 가속도 감소가 크게 나타났으며, 전반적으로 하지의 뒤꿈치에서 무릎으로의 가속도 감소율은 64~85%로 평가되었다.<그림 11>과<표 2>로부터 유한요소 해석을 통해런닝 시 하지에서의 가속도 감소 특성을 정확히 예즉할수 있음을 확인할 수 있다.
지면 접지시점이 빠르게 나타났다. 신발 착용 시는 착지 충격력을 흡수할뿐더 최대 충격치 도달시간을 지연시킴으로서 충격흡수와 부상방지 향상을 나타내었다. 전반적인 충격흡수 능력은 농구화, 마라톤화, 테니스화, 그리고 맨발의 순으로 나타났다.
0184sec의 순으로 즉정되었다. 예상되로 맨발의 경우가 신발 착용 시보다 처대 착지력이 클뿐더러 최대 착지력에 도달하는 접지시간도 짧음을 확인할 수 있었다.
비교하고 있다. 최대 지면반력의 크기는 맨발, 테니스화, 마라톤화 그리고 농구화 순으로 크게 나타났다. 최대 지면반력은 체중의 2~3배가 된다는 Nigg와 Mann 등의 보고와 잘 일치한다.
후속연구
이용한 시뮬레이션에 한정되었다. 본 연구에서 제시한 완전한 하지-신발-지면 연계모델을 이용한 유한요소 해석은 지금까지 시뮬레이션 기술의 한계를 극복할 것이다. 이로 인해 스포츠화 설계를 위한 과학적인 리소스를 제공함으로서, 신발산업에서 설계, 생산 및 평가에 소용되었던 많은 비용과 시간을 절감할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서 제시한 완전한 하지-신발-지면 연계모델을 이용한 유한요소 해석은 지금까지 시뮬레이션 기술의 한계를 극복할 것이다. 이로 인해 스포츠화 설계를 위한 과학적인 리소스를 제공함으로서, 신발산업에서 설계, 생산 및 평가에 소용되었던 많은 비용과 시간을 절감할 수 있을 것으로 사료된다.
참고문헌 (12)
Bathe, K. J.(1996). Finite Element Procedures. Prentice Hall.
Belytschko, T., Liu, W. K., & Moran, B.(2000). Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures. New York: John Wiley & Sons, Inc.
Cavanagh, P. R.(1990). Biomechanics of Distance Running. Champaign, IL, Human Kinetics.
Craig, R. R.(1981). Structural Dynamics. New York: John Wiley & Sons, Inc.
Craik, R. L.(1995). Gait Analysis. Mosby.
Henning, E. M., & Lafortune, M. A.(1991). Relationships between ground reaction force and tibial bone acceleration parameters. Journal of Sports Biomechanics, 7, 303-309.
Kim, S. H.(2005). Evaluation of Landing Impact Characteristics of Court Sports Shoes by Finite Element Method. Masters Thesis. Pusan National University.
Netter, F. H.(1999). Atlas of Human Anatomy. ICON.
Nigg, B. M.(1986). Biomechanics of Runnig Shoes. Champaign, IL, Human Kinetics.
Voloshin, A., Verbitsky, O., Mizrahi, J., Treiger, J. & Isakov, E.(1998). Shock transmission and fatigue in human running. Journal of Appied Biomechanics, 14, 300-311.
Winter, D. A.(1990). Biomechanics and Motor Control of Human Movement. John Wiley & Sons.
Zienkiewicz, O. C., & Taylor, R. L.(1991). The Finite Element Method, Vol. 2, McGraw Hill.
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