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基于人体生物力学的自行车设计方法研究与应用

徐瑞芬  
【摘要】: 本文基于人体运动生物力学理论,以人机工程学为指导,探寻自行车车架结构参数与人体特征参数的关系,从而为适合不同人体信息的车架结构的设计提供具有普遍意义的理论依据。全文研究内容及结论概括如下: 一、以某型号自行车为载体,运用人体生物力学相关理论,利用生物力学数字仿真软件LifeMOD建立了具有完整的骨骼、关节及肌肉软组织的人体模型,并借助动力学分析软件ADAMS实现了人-自行车耦合系统模型的运动仿真。 二、借助人-自行车仿真系统,利用Crownishield R.D.等人提出的肌肉应力平方和最小作为肌肉疲劳程度的评价指标,进行人体不同骑行位姿下的仿真实验,结果表明:人体上身姿态对肌肉疲劳程度影响很小,下身姿态对肌肉疲劳程度有较大影响。在此基础上,提出以人体下肢肌肉应力平方和最小作为评价人体骑行舒适性的指标。 三、以车架上车把、中轴和鞍座处的相对位置作为车架结构参数,并将其作为设计变量,采用均匀试验法进行实验方案设计,借助所建立的人-自行车系统模型进行仿真实验,得到一系列不同设计变量组合条件下给定特征参数人体下肢肌肉应力的平方和。应用回归分析方法,建立车架结构参数与人体下肢应力平方和之间的数学模型,并以人体下肢肌肉应力平方和最小为目标函数,优化自行车车架结构参数,得到了使特定骑行者具有最佳骑行舒适性的车把、中轴和鞍座之间的相对位置。 四、设定一系列不同特征参数的骑行者,按照前述方法,借助仿真实验,得到了使不同特征参数人体具有最佳骑行舒适性的一系列车架结构参数。采用回归分析方法,建立了人体特征参数与最佳车架结构参数之间的数学模型。 五、以某型自行车为例,应用所建立的数学模型进行车架的结构参数设计,并借助有限元方法对车架强度进行分析。通过典型应用实例,给出了自行车设计的方法与流程。本文的研究成果对于自行车的自主创新设计具有重要的理论意义和实际应用价值。


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