面向高端自行車鞍座的個(gè)性化設(shè)計(jì)與生物力學(xué)分析.pdf

1、天津大學(xué)碩士學(xué)位論文面向高端自行車鞍座的個(gè)性化設(shè)計(jì)與生物面向高端自行車鞍座的個(gè)性化設(shè)計(jì)與生物力學(xué)分析力學(xué)分析CustomizedDesignBiomechanicsanalysisfHighendBicycleSaddle學(xué)科專業(yè)：機(jī)械工程作者姓名：楊淇竣指導(dǎo)教師：鄭淑賢副教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二零一四年十二月I中文摘要中文摘要高端自行車鞍座是用來支撐身體的自行車部件，其設(shè)計(jì)直接影響騎行者的舒適度以及對(duì)人體生理健康壓迫等問題。騎行時(shí)，

2、坐骨結(jié)節(jié)與鞍座接觸處鞍座的變形最大，壓迫力相對(duì)集中，臀部長時(shí)間處于壓迫狀態(tài)會(huì)造成麻木和缺血，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致生殖系統(tǒng)障礙。為了解決上述問題，本文提出一套高端自行車個(gè)性化鞍座設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)力學(xué)分析方法。本文首先對(duì)騎行者的個(gè)性化因素的分析，歸納個(gè)性化鞍座的設(shè)計(jì)要求，給出個(gè)性化鞍座的基本結(jié)構(gòu)，然后提出一種個(gè)性化鞍座的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)騎行者個(gè)性化信息和三次B樣條擬合曲面原理，提出一種鞍座曲面的構(gòu)造方法，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化鞍座參數(shù)化模型的構(gòu)建和曲面設(shè)計(jì)。為了獲得更

3、理想的曲面，提出一種曲線變形方法，進(jìn)行原始特征點(diǎn)前后位置的計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用徑向基函數(shù)方法進(jìn)行鞍座曲面的局部調(diào)整，獲得自行車個(gè)性化鞍座。通過有限元方法對(duì)該鞍座和普通自行車鞍座分別進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析。兩個(gè)鞍座對(duì)人體的壓力大小的比較結(jié)果表明，個(gè)性化鞍座對(duì)生殖區(qū)以及坐骨結(jié)節(jié)中心的作用力較小。然后提出一種人車系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模方法。依據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，把自行車簡化成2自由度系統(tǒng)，建立動(dòng)力學(xué)模型。分析自行車的運(yùn)動(dòng)過程，研究騎行者運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律以及所受

4、的外部載荷。首先依據(jù)人體生物力學(xué)理論，建立人體模型，求出靜態(tài)條件下鞍座對(duì)人體的受力；其次依據(jù)能量守恒定理，建立自行車路面模型，求出踏板對(duì)騎行者的作用力；再依據(jù)拉格朗日定理，建立人體鞍座模型，求出鞍座對(duì)大腿的作用力；最后依據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，建立自行車路面不平度模型，求出鞍座對(duì)騎行者的沖擊力。接著依據(jù)鞍座動(dòng)力學(xué)模型，把力加載到有限元軟件中，利用動(dòng)態(tài)有限元分析方法對(duì)鞍座和騎行者坐骨的受力情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明鞍座對(duì)騎行者的作用力主要集中在坐骨結(jié)節(jié)

5、和生殖區(qū)附近，并且改變鞍座的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以有效減小鞍座對(duì)騎行者的作用力。為此，以騎行者坐骨結(jié)節(jié)以及生殖區(qū)的壓力最小為目標(biāo)，基于動(dòng)態(tài)有限元分析結(jié)果，歸納出影響騎行舒適度的鞍座參數(shù)，利用正交試驗(yàn)方法，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高騎行者的舒適度。最后為便于應(yīng)用，以上述的關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，以HOOPS和ACIS圖形內(nèi)核為開發(fā)平臺(tái)，VC為開發(fā)語言，開發(fā)人機(jī)交互的個(gè)性化鞍座軟件，并給出設(shè)計(jì)實(shí)例。上述研究工作為高端自行車個(gè)性化鞍座設(shè)計(jì)與分析奠定了理論基礎(chǔ)，同