騎行時人車系統(tǒng)的動力學(xué)及相關(guān)有限元分析.pdf

1、自行車作為世界范圍內(nèi)交通系統(tǒng)的重要組成部分，具有便利、靈活、環(huán)保、健身和經(jīng)濟耐用等特點，受到大眾的青睞，近年來自行車設(shè)計研究發(fā)展迅速。而人體作為人-車系統(tǒng)中最重要的部分，在設(shè)計自行車產(chǎn)品時應(yīng)充分考慮人的因素，因此運用生物力學(xué)對騎行過程中人體自身的生物力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行研究對自行車設(shè)計具有非常重要的意義。
　　本文以人-自行車系統(tǒng)為研究對象，通過騎行動作姿態(tài)捕捉實驗，并建立人-車系統(tǒng)模型，以此進(jìn)行動力學(xué)仿真分析及其踝關(guān)節(jié)模型的有限元分析。

2、
　　騎行運動捕捉實驗為動力學(xué)仿真做準(zhǔn)備。實驗中利用LUKOtronic運動捕捉系統(tǒng)對運動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過調(diào)節(jié)鞍座的高低，改變騎行過程中膝關(guān)節(jié)的最大角度，從而得到實驗者在不同騎行姿態(tài)下身體各部位的運動數(shù)據(jù)。
　　運用Creo、ADAMS和LifeMOD軟件創(chuàng)建了人-自行車系統(tǒng)模型，采用騎行實驗采集的運動數(shù)據(jù)，在ADAMS軟件中對在不同騎行條件下的人-車模型進(jìn)行反向和正向動力學(xué)仿真分析，得到了在騎行時人體下肢關(guān)節(jié)力周期性變化

3、的分布規(guī)律，參數(shù)研究考慮了騎行速度和騎行姿態(tài)對膝、髖、踝關(guān)節(jié)力的影響，其中在騎行周期（腳蹬旋轉(zhuǎn)一周）中200°~230°區(qū)域的膝、髖、踝關(guān)節(jié)合力最大，在270°~280°區(qū)域中關(guān)節(jié)合力最小。分析結(jié)果為健康騎行提出了指導(dǎo)性建議：休閑騎行，即騎行速度低于22.5km/h（60r/min），膝關(guān)節(jié)最大張開角度為120°膝、髖、踝關(guān)節(jié)力最??；競賽騎行，即騎行速度高于22.5km/h，膝關(guān)節(jié)最大張開角度為130°關(guān)節(jié)力最小。其中競賽騎行的指導(dǎo)性建

4、議已經(jīng)被自行車運動員的競賽騎行實踐證實。
　　基于CT掃描志愿者的右側(cè)踝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，利用Mimics軟件，Geomagic Studio軟件和Creo軟件建立了踝關(guān)節(jié)的三維模型。對在速度為18.6 km/h（50r/min），最大膝關(guān)節(jié)角度為120°的騎行條件下的踝關(guān)節(jié)進(jìn)行有限元分析，分析可知：踝關(guān)節(jié)各部分的位移較小。其中在足部模型中，足弓處位移較大，在足部的外側(cè)和前腳趾骨位移非常小。跟骨受到的應(yīng)力最大，前腳掌腳趾處應(yīng)力最小。在脛腓