【機械類畢業(yè)論文中英文對照文獻翻譯】指墊和平面之間的動態(tài)交互作用：實驗和分析

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人類指尖的長期暴露和反復(fù)荷載一直伴隨著許多血管，神經(jīng)和肌肉骨骼疾病，如腕管綜合癥，手臂振動綜合癥，屈肌腱鞘炎。由于指墊作為一個存在于手與物體之間的服務(wù)元件，指尖與主體之間的動態(tài)耦合的調(diào)查可以為神經(jīng)和血管疾病的病理力學(xué)的理解提供很多重要的信息。從生物力學(xué)的角度，指尖有一個復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)。由皮膚層（表皮和真皮），皮下組織，骨和指甲組成。皮下組織和皮膚組織的物料性質(zhì)有非線性和時變性的，因此，對于機械裝載的指尖響應(yīng)也預(yù)期是非線性和時變性的。安培等人測量了敲擊鍵盤的指尖力反應(yīng)并發(fā)現(xiàn)指尖上的峰力在1.6～5.3N之間變化。塞里納等人研究從不同的傾斜度指墊力變形行為以0.5, 1, 2, and 3 Hz的頻率敲鍵盤；他們發(fā)現(xiàn)指墊的力變形反應(yīng)是高度的非線性和時變性。Pawluk 和Howe進一步的研究了指墊和平面表面之間動態(tài)接觸壓力分布。然而，在物理負荷條件下時間依賴性的反應(yīng)力和指尖力松弛行為，在一些珍貴的研究中并沒有以一種系統(tǒng)的方式探索。 從以上觀點可以看出，兩種指尖模型已在文獻中提出：結(jié)構(gòu)模型和物理模型。結(jié)構(gòu)模型簡化考慮了指尖解剖結(jié)構(gòu)和組織中的可以預(yù)測的應(yīng)力/應(yīng)變。這些模型已應(yīng)用到預(yù)測，靜力變形特性[12]和在靜態(tài)線性載荷下指尖表面偏轉(zhuǎn)。這些結(jié)構(gòu)指尖模型是靜態(tài)性質(zhì)的，不能適用于動態(tài)加載案件。Pawluk和Howe[10,11]用物理（總元件）模型來模擬一個平面的指墊動態(tài)接觸。然而，在生理負荷下指尖的反應(yīng)力和力松弛行為（如低負荷率）沒有被研究。雖然物理模型沒有考慮到指尖解剖結(jié)構(gòu)，不能模擬指尖內(nèi)軟組織的應(yīng)力/應(yīng)變性能，但它是可以簡單計算并很容易的用來估計出許多工業(yè)和符合人體工程學(xué)的應(yīng)用中的時變性的反應(yīng)力。在抓取過程中指尖的動力響應(yīng)和松弛力對于了解工作性肌肉骨骼疾病的病理力學(xué)提供了許多重要信息，且能幫助工業(yè)工程設(shè)計師預(yù)防肌肉骨骼受傷。本研究的目的是：（1）從實驗和理論上來分析，一個平面動態(tài)接觸人體指尖粘性放松的與時間依賴性反應(yīng)和力，（b）開發(fā)一個簡單的物理模型，描述了非線性和時間依賴力的指尖反應(yīng)。 2. 物理模型 在古典粘彈性理論，本構(gòu)方程一般用壓力，s(t)，與應(yīng)變，∈(t)來表示，使用Bolzmann的疊加原理，如Fung所示[14]。關(guān)于一個線性粘彈性材料應(yīng)力變形表現(xiàn)為遺傳積分： 其中E（t）是時間依賴性松弛模量為特征的材料的時間依賴性反應(yīng)。 對于許多實際問題，是可以由壓力方式方便地寫出遺傳積分（1）。 3. 試驗方法 3.1實驗裝置 一個實驗裝置的目的是研究在指尖的機械動態(tài)加載響應(yīng)。安裝包括一個25毫米× 25毫米扁鋼模板和一個停滯狀態(tài)手指，如圖1所示。一個普遍的細觀力學(xué)試驗機(型號：Mach-I, Biosyntech, Montreal, Canada) 采用位移控制的協(xié)議用來產(chǎn)生模板運動。該試驗機配備了一個0.5微米分辨率的位移傳感器和擁有0.49mN（500毫克）解析的9.8 N（1千克）的測壓元件。在實驗期間，每個實驗對象假設(shè)用一種前臂支撐手臂休息的輕松的姿勢坐著。實驗對象被建議將他們的食指放置在指艙即一個與遠端水平臺面（或者是壓縮模板）大約成20度角度的裝置。壓縮的鋼模板被（3毫米厚的）光滑有機玻璃板所覆蓋為的是減少在指墊上力學(xué)反應(yīng)的指尖與模板之間的溫差的影響。為了保持在實驗中手指與支撐平面之間的聯(lián)系，在將手指放在放置器之前實驗者的食指指甲上先被貼上雙面膠帶。由于狹布條（0.1毫米）的厚度相對于手指的尺寸來說很小，同雙面膠帶變形（即根據(jù)壓縮的膠帶厚度變化）有關(guān)的誤差是微不足道的。我們已校準由膠帶可能引起的誤差系統(tǒng)評估。兩塊橡膠塊在試驗機上被壓縮，一個橡膠塊和壓縮模板之間有膠帶，一個沒有膠帶，結(jié)果并沒有從這兩個實驗所得到的反應(yīng)力中得到可測量出的變化。 圖1：手指壓縮試驗的實驗裝置 3.2實驗過程 位移控制器讓壓板以一定幅度相對參與者指尖運動。由此產(chǎn)生的響應(yīng)力和壓板位移得到的采樣頻率為33赫茲。四位實驗者（兩男兩女）參與了實驗。實驗參與者的平均年齡在24歲左右（21到30）。在每位實驗參與者的左右手的食指上進行了實驗。每個參與者已經(jīng)由NIOSH人的主體性審查委員會批準都填寫了對測試的書面同意。在數(shù)據(jù)收集前每一位參與者可以做一些活動。參與者的手指的遠端指骨的平均寬度和高度分別在16.5 ± 1.5毫米和12.0 ± 2.0毫米。 不同指尖壓縮程度的兩組實驗正在進行。在測試系列A使用六種不同的負荷率將指墊壓縮一個2.00毫米位移（0.1，0.2，0.4，0.9，1.5不同的速度，和5.7毫米/秒），如圖(2a)所示。指尖的2.00毫米處最大位移恒定在大約3秒，從而使指尖的反應(yīng)力很穩(wěn)定。模板的位移以一毫米每秒的速度減少到1.00毫米，然后（1.00毫米）被恒定維持了另一個30秒。 圖2：在一定時間內(nèi)的壓縮位移 試驗系列B指尖位移達到了3mm（圖2b）。指尖用五種不同的加載速度（0.3，0.5，0.9，2.3和4.0毫米/秒）被加載到峰值變形（3.00毫米），并維持位移3.00毫米約30秒，該模板的位移然后以1.00 mm/秒的速度從3.00毫米降低為2.00毫米，并在2.00毫米處維持了30秒。 之前進行用來證明測試A與B的力松弛測量法用來校準在等式（5）（6）中描述所提議的缺少尺寸的松弛率，g(t)。對應(yīng)測試A與B，指尖受到以（一個5.00毫米/秒的載入速度）分別位移了2.00到3.00毫米。保持恒定的30秒允許指尖反應(yīng)力達到穩(wěn)態(tài)值。 所有的實驗參與者都經(jīng)歷了兩種力松弛測試和兩種系列的測試（A測試和B測試），并以20秒的間隔在兩個系列的試驗中連續(xù)運行兩個系列實驗間隔20s。每一位實驗參與者在兩系列的實驗中有15分鐘的休息時間段令參與者恢復(fù)任何手和手指的肌肉疲勞。這實驗研究包含了八項測試，換言之是指四位參與者左右手的食指。其中有兩個實驗是不成功的，因為有實驗參與者在壓縮時并沒有保持手指的穩(wěn)定，相應(yīng)的數(shù)據(jù)在隨后的分析中被排除。在下面的結(jié)果報告中，采用的是剩下六人測試結(jié)果的平均值。力松弛實驗僅在實驗參與者的右手進行。 4.結(jié)果 圖3和圖b的擬合曲線各自顯示了從對應(yīng)實驗A與實驗B的力松弛測試中得到的標準反應(yīng)力的經(jīng)歷的時間，正如等式6中描述的一樣。每位實驗參與者參與的測試（A和B）中得到的四套實驗數(shù)據(jù)被用來獲得無量綱的松弛模函數(shù)。結(jié)果顯示了從四位實驗參與者獲得數(shù)據(jù)中相對有小的差異。所有參與者平均測試的數(shù)據(jù)值由曲線虛擬出來。標準的方格法和百分之2的容錯準則被運用在曲線擬合中。研究結(jié)果進一步表明可以使用兩種(N ，2) Prony級數(shù)展開可以達到令人滿意的擬合【方程6】。 圖4：力或位移依賴率 圖4描述從實驗中獲得的力或位移依賴率數(shù)據(jù)之間的比較和使用由測試A和B的出的物理模型。這些結(jié)果提供給測試系列A和B的裝載部分，并且是所有6個可利用的測驗數(shù)據(jù)的平均值。 使用方程式(4)，力或位移曲線依賴率使用方程式（4）。方程式（4）是由兩個物質(zhì)或結(jié)構(gòu)參量g(t)和F0(△)決定的。 瞬間的力量/代替關(guān)系， F0(△)，理論上應(yīng)該在極高的加載速度中被確定，其中膠粘的變形是可以忽略的。在目前的研究，壓縮檢查是使用傳統(tǒng)微測試機器具有限的加載和數(shù)據(jù)采集速度被實施的。因此， F0(△ )使用一項重復(fù)的計劃被獲取：(a) 一種最初瞬間的力量/代替關(guān)系， F0(△)被在每測試系列中在最高的加載速度成倍增加與測試對應(yīng)的力量/載重量的曲線任職（即 v = 對于測試系列 A 和 B 的 1.5 和 4.0 mm/s，分別地）所作按 p 之級數(shù)（對于首次審訊的 p1.2）。它是被記錄那A系列中的最高裝貨速度（5.7 mm/s）因為不足的數(shù)據(jù)點而不能夠被使用；測試數(shù)據(jù)收購在下一個最高速度（1.5 mm/s）被使用。(b) 與最高的加載速度對應(yīng)的力/加載重量的曲線然后得到力放松參數(shù)（gi 和Ti）以前獲得（圖3) 和 F0 的最初的估計 ( )。(c) 放大倍率的因素 p 被修改優(yōu)化直到適合實驗數(shù)據(jù)模型被完成。被優(yōu)化的擴大因素， p，分別地是 1.29 和 1.2，最終對測試系列 A 和 B.(d)，瞬間的力/代替關(guān)系 [ Eq。(8)] 被優(yōu)化的力/代替關(guān)系被安裝，以及 A 和 b 是建立分別地是 0.2368 的常量 (N) 和對于系列 A 的 2.0696 ；以及 0.1727(N) 和對于系列 B 的 2.8694。 時間相關(guān)的力/代替彎曲的數(shù)據(jù)從實驗中被獲取，和被優(yōu)化瞬間的力/代替彎曲（被列為 vmax，在數(shù)字中），在圖4a 以及 c中被描述，分別地與測試系列對應(yīng) A 和 B，被預(yù)測的比率相關(guān)的力/代替彎曲對測試系列 A 和 B分別地在圖4b 和 d中顯示。結(jié)果表明指尖的剛度以及力程度隨加載速度增加。結(jié)果表明，實驗數(shù)據(jù)和加載速度和在這項研究中考慮變形的整個范圍的模型預(yù)測好的協(xié)議。所有實驗參與者在測試系列 A 和 B 中測力反應(yīng)的平均值的時間經(jīng)歷如圖5a 和 c中分別地被描繪。這項測試甲乙相應(yīng)的模型預(yù)測分別顯示在圖 5b中和d。我們的結(jié)果表明，預(yù)測的時間經(jīng)歷的反應(yīng)，數(shù)據(jù)與實驗獲得的相一致。 在本研究中使用的指墊瞬時剛度與Pawluk與Howe實測的比較[10]，如圖7. Pawluk和Howe所顯示的數(shù)據(jù)在這項研究中獲得了使用一個相似如提議的試驗過程; 然而，末端部分關(guān)于聯(lián)絡(luò)臺板背的角度在他們的測試中未被固定，在測量期間，并且參與者允許采取舒適的姿勢。Pawluk和Howe的測試#1-#4 [10] 根據(jù)同一個試驗過程使用四個不同主題得到了數(shù)據(jù)。對比鑒于趨勢顯示了好的協(xié)議，雖然大小不同，尤其是高力。 5.討論與總結(jié) 手和手臂的震動綜合病癥 (HAVS) 在手指廣泛接觸振動與本地神經(jīng)和血管的系統(tǒng)的退化相關(guān)[16-18]。這些假設(shè)在手指或指尖上被實施的 HAVS 的很多診斷測試中[19， 20] 被支持。若干調(diào)查[21,22]表明，振動能量吸收（VEA）可能是導(dǎo)致振動受傷的一個重要因素。這些假說獲得流行病學(xué)調(diào)查[23] 的支持這表明HAVS可能與VEA相關(guān)。一些研究已經(jīng)進行為了表現(xiàn)VEA對手和手臂系統(tǒng)的影響[24,25]。有關(guān)這些以前的方法的根本缺陷是他們不可以確定能量耗散的位置在手和手臂。在指尖當?shù)啬茉聪目赡苁菍?dǎo)致的振動發(fā)展引起的疾病的一個重要因素，因為嚴重的HAVS癥狀已在手指或指尖上被觀察到。因此，在指尖上研究局部的 VEA可能，提供闡明 HAVS機制的重要信息。這在技術(shù)上是非常困難的實驗分別從該公司掌握的總能量吸收將指尖局部的 VEA分開。 總之，在同一個平面上的動態(tài)接觸的指尖反應(yīng)力在目前的學(xué)習(xí)中只是實驗和理論研究。我們的研究結(jié)果表明，在動態(tài)接觸的指尖的反應(yīng)力是非線性和時間依賴性。物理模型表現(xiàn)出指尖在動態(tài)接觸中的非線性的特點，比率依賴的力位移，力松弛和力所經(jīng)理時間的依賴率。