高中生模拟背包身体压力以获得科学博览会荣誉

去年秋天，当大多数九年级学生都在努力适应高中生活，了解他们的时间表时，加州Proof学校的一名学生却有其他担忧。

阿尼什·萨卡尔(Anish Sarkar)开始新学年时脑子里只有一件事:背包对身体的压力，他认为这是一种“无声的流行病”。

萨卡尔希望通过了解如何最恰当地负重来减轻这种塞满书的负担，并防止受伤。他的研究将分析哪种类型的包——例如，普通背包和信使风格的包——对背部和肩部的压力最小，同时研究哪种背带位置提供了最大的支撑。

Sarkar需要一种安全准确的方法来探索所有场景，并转向Ansys仿真来进行虚拟测试。万博

他的项目名为“重负荷对人类脊梁的影响”，不仅总结出了最安全的背背包方式，还让他在2022年加州金门STEM博览会上获得了第二名，该博览会欢迎当地6至12年级的科学、技术、工程和数学(STEM)学生。

项目的骨干

你怎么知道你每天背的背包是否在损害你的背部呢?这是萨卡尔最迫切的问题，也是他这个项目的灵感来源。首先，他调查了人们喜欢哪种类型的背包，以及他们是如何背的。一些人选择了两根背带的传统书包，一些人只喜欢一根背带，而另一些人则喜欢只有一根背带的信使式书包。有了这些信息，Sarkar知道了他想要测试的场景，但需要一种实用的方法来测试它们。

就在那时，他的父亲向他介绍了模拟，并解释了它如何帮助他确定背包对身体的压力，而无需对所有场景进行实际测试。

Sarkar通过万博万博Ansys学术项目该网站为学生、大学和研究人员提供软件和免费的研究和学习资源。

通过万博Ansys Workbench仿真集成平台，他访问万博Ansys Granta MI Enterprise物资数据管理软件，万博Ansys SpaceClaim三维计算机辅助设计(CAD)建模软件万博Ansys机械结构有限元分析(FEA)软件。

“我专注于将FEA建模作为执行虚拟模拟的解决方案，”Sarkar说。“我没有做物理测试，比如背着沉重的背包走一英里，因为那样太耗时，而且不准确。尽管Ansys Work万博bench是专业工程师使用的复杂工具，但我还是决定使用它，因为它比物理测试更快、更准确、更通用。”

根据他的调查结果，萨卡尔模拟了背着传统背包和邮差包的效果，并将背包的重量变量纳入了10到30磅之间。他还增加了肩带长度的参数，是使用两个还是一个，对于传统的背包，他检查了它们是向下拉，中途拉，还是根本不拉。换句话说，就是背包的使用者如何用手或收紧背带来拉或定位背带。他把这三个等级分别称为高带、中带和低带。肩带的水平代表了背包最终休息和施加最大压力的位置。

萨卡尔使用了三个模型进行模拟:一个是他使用SpaceClaim创建的基本脊柱和胸腔模型，另一个是他在网上找到的两个骨骼模型和一个以肌肉为中心的人体模型。

在使用SpaceClaim对在线模型进行改装后，他在Mechanical中为三个模型分别生成了一个网格。接下来，他在每个模型中添加压力点，以指出每种场景下背包的压力和重量所在的位置。压力点的位置随着背包类型和背带长度的不同而变化，而压力量随着背包重量的不同而变化。他使用万博Ansys Granta MI为模拟建立有机材料的特性。

回到机械部，他分析了施加压力后模型的整体变形。这有两种表示方式:数字和颜色。数值表示帮助Sarkar确定该场景是否实际。

例如，如果变形值很大，那么现实场景将导致该人背部疼痛。颜色表示是为了显示模型上的变形。

从萨卡尔的模拟结果来看，单肩背传统背包的人变形最严重。同样，他得出结论，使用沉重的邮差袋也是不健康的，除非邮袋很轻。

萨卡尔得出结论，对于背着双背带的传统背包，一直向下拉背带(他认为是“高背带”水平)会对身体产生最严重的变形，因为这样做会导致压力积聚在上半身。这种压力会导致一个人身体前倾，如果一个人一直这样做，随着时间的推移，由于“肌肉记忆”，即使不背背包，他们也会前倾，这可能会造成长期影响。

萨卡尔认为，最健康的选择是双肩背一个“低肩带”的背包，也就是说，不要向下拉、定位或收紧肩带，这样背包的压力和重量就会松散地集中在下背部，而不是上背部或中背部。

此外，Sarkar得出结论，背包的重量应该在10-20磅之间，这取决于体重，以施加最小的应力，因为当重量超过20磅时，变形会显著增加。

有限元分析得到结果

萨卡尔在分析过程中确实遇到了一些困难。然而，这些挑战给了他如何解决FEA问题的实际经验，如选择更好的网格设置和细化元素的大小。

一旦他的项目完成，萨卡尔将其提交给金门STEM博览会，并获得第二名。作为高级获奖者，他还参加了加州科学与工程博览会。

萨卡尔说，模拟的使用不仅加快了项目的速度，而且使其成为可能。

他说:“在这个项目中，如果没有模拟，我就无法理解张力和压力是否只是在表面，是否深入到身体内部，或者姿势是否被改变。”“我需要花几周甚至几个月的时间进行身体检查，然后再花更长时间来了解是否有长期持续的影响，这肯定会让我的身体紧张，给自己施加压力。使用模拟的虚拟测试使测试成为可能，也更安全。”

他说，虽然A万博nsys仿真以其速度和准确性而闻名，但对Sarkar来说，最突出的是易于使用的界面。在Workbench中，他很欣赏模拟特性被列在一个列表中，只需要单击就可以访问和导航下一步。他还发现Mechanical对用户友好，特别喜欢后期结果中的详细动画，他可以观察到动态。

他说:“我没有使用过其他仿真软件包，但我非常喜欢Ansys仿真有很多功能，但对于像我这样的初学者来说非常简单。”万博

为了进一步学习，Sarkar在今年夏天旅行时联系了Ansys在印度浦那的办公室。万博

他与工程师们更深入地讨论了有限元分析，并探讨了万博Ansys学习中心而且万博Ansys创新课程．Python入门这门关于脚本编写的创新课程引起了他的极大兴趣，他想学习如何创建一个应用程序，使用导出的模拟数据来监控健康的背包习惯。

他表示:“课程非常详细，我能够从工程师那里得到很多建议，并向他们提问，这对了解他们的观点非常有帮助。”“我还能与使用不同软件包的工程师交谈，问他们软件是如何工作的，好处在哪里，以及他们做了什么。”

为未来昂首挺胸

展望大学和职业生涯，萨卡尔最感兴趣的是生物医学工程领域，因为他的学术兴趣和他的个人经历相结合。

他说:“从幼儿园开始，我每天都使用助听器，这些年来，我用过一些很旧的助听器，它们有问题或没有真正起作用，但有些已经很先进了，现在甚至有蓝牙功能。”“所以，如果我展望未来，我肯定会专注于生产生物医学产品，通过了解产品如何测试以达到特定的质量，以及可以做些什么来改善它们，从而帮助其他人。万博网模拟确实有助于理解这一点。”

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