面向高端自行車鞍座的個性化設計與生物力學分析.pdf

1、天津大學碩士學位論文面向高端自行車鞍座的個性化設計與生物面向高端自行車鞍座的個性化設計與生物力學分析力學分析CustomizedDesignBiomechanicsanalysisfHighendBicycleSaddle學科專業(yè)：機械工程作者姓名：楊淇竣指導教師：鄭淑賢副教授天津大學機械工程學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，其設計直接影響騎行者的舒適度以及對人體生理健康壓迫等問題。騎行時，

2、坐骨結(jié)節(jié)與鞍座接觸處鞍座的變形最大，壓迫力相對集中，臀部長時間處于壓迫狀態(tài)會造成麻木和缺血，嚴重時會導致生殖系統(tǒng)障礙。為了解決上述問題，本文提出一套高端自行車個性化鞍座設計與動態(tài)力學分析方法。本文首先對騎行者的個性化因素的分析，歸納個性化鞍座的設計要求，給出個性化鞍座的基本結(jié)構，然后提出一種個性化鞍座的設計方法。根據(jù)騎行者個性化信息和三次B樣條擬合曲面原理，提出一種鞍座曲面的構造方法，實現(xiàn)個性化鞍座參數(shù)化模型的構建和曲面設計。為了獲得更

3、理想的曲面，提出一種曲線變形方法，進行原始特征點前后位置的計算。在此基礎上，應用徑向基函數(shù)方法進行鞍座曲面的局部調(diào)整，獲得自行車個性化鞍座。通過有限元方法對該鞍座和普通自行車鞍座分別進行靜態(tài)力學分析。兩個鞍座對人體的壓力大小的比較結(jié)果表明，個性化鞍座對生殖區(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)的動力學建模方法。依據(jù)動力學原理，把自行車簡化成2自由度系統(tǒng)，建立動力學模型。分析自行車的運動過程，研究騎行者運動的基本規(guī)律以及所受

4、的外部載荷。首先依據(jù)人體生物力學理論，建立人體模型，求出靜態(tài)條件下鞍座對人體的受力；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，求出鞍座對大腿的作用力；最后依據(jù)動力學原理，建立自行車路面不平度模型，求出鞍座對騎行者的沖擊力。接著依據(jù)鞍座動力學模型，把力加載到有限元軟件中，利用動態(tài)有限元分析方法對鞍座和騎行者坐骨的受力情況進行分析，結(jié)果表明鞍座對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)構參數(shù)可以有效減小鞍座對騎行者的作用力。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，基于動態(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)，利用正交試驗方法，對這些參數(shù)進行優(yōu)化，提高騎行者的舒適度。最后為便于應用，以上述的關鍵技術為基礎，以HOOPS和ACIS圖形內(nèi)核為開發(fā)平臺，VC為開發(fā)語言，開發(fā)人機交互的個性化鞍座軟件，并給出設計實例。上述研究工作為高端自行車個性化鞍座設計與分析奠定了理論基礎，同