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面向高端自行车鞍座的个性化设计与生物力学分析
| 论文题名： | 面向高端自行车鞍座的个性化设计与生物力学分析 |
| 关键词： | 自行车;生物力学;个性化设计;鞍座结构;有限元法 |
| 摘要： | 高端自行车鞍座是用来支撑身体的自行车部件，其设计直接影响骑行者的舒适度以及对人体生理健康压迫等问题。骑行时，坐骨结节与鞍座接触处鞍座的变形最大，压迫力相对集中，臀部长时间处于压迫状态会造成麻木和缺血，严重时会导致生殖系统障碍。为了解决上述问题，本文提出一套高端自行车个性化鞍座设计与动态力学分析方法。 本文首先对骑行者的个性化因素的分析，归纳个性化鞍座的设计要求，给出个性化鞍座的基本结构，然后提出一种个性化鞍座的设计方法。根据骑行者个性化信息和三次 B样条拟合曲面原理，提出一种鞍座曲面的构造方法，实现个性化鞍座参数化模型的构建和曲面设计。为了获得更理想的曲面，提出一种曲线变形方法，进行原始特征点前后位置的计算。在此基础上，应用径向基函数方法进行鞍座曲面的局部调整，获得自行车个性化鞍座。通过有限元方法对该鞍座和普通自行车鞍座分别进行静态力学分析。两个鞍座对人体的压力大小的比较结果表明，个性化鞍座对生殖区以及坐骨结节中心的作用力较小。然后提出一种人车系统的动力学建模方法。依据动力学原理，把自行车简化成2自由度系统，建立动力学模型。分析自行车的运动过程，研究骑行者运动的基本规律以及所受的外部载荷。首先依据人体生物力学理论，建立人体模型，求出静态条件下鞍座对人体的受力；其次依据能量守恒定理，建立自行车-路面模型，求出踏板对骑行者的作用力；再依据拉格朗日定理，建立人体-鞍座模型，求出鞍座对大腿的作用力；最后依据动力学原理，建立自行车-路面不平度模型，求出鞍座对骑行者的冲击力。接着依据鞍座动力学模型，把力加载到有限元软件中，利用动态有限元分析方法对鞍座和骑行者坐骨的受力情况进行分析，结果表明鞍座对骑行者的作用力主要集中在坐骨结节和生殖区附近，并且改变鞍座的结构参数可以有效减小鞍座对骑行者的作用力。为此，以骑行者坐骨结节以及生殖区的压力最小为目标，基于动态有限元分析结果，归纳出影响骑行舒适度的鞍座参数，利用正交试验方法，对这些参数进行优化，提高骑行者的舒适度。最后为便于应用，以上述的关键技术为基础，以HOOPS和ACIS图形内核为开发平台，VC++为开发语言，开发人机交互的个性化鞍座软件，并给出设计实例。 上述研究工作为高端自行车个性化鞍座设计与分析奠定了理论基础，同时也为高端自行车的客户化定制奠定了技术基础。 |
| 作者： | 杨淇竣 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 郑淑贤 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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