基于生物力学的跑步防护运动裤的研究

摘要

骨骼作为人体的重要器官，不仅保护着人体的内脏，而且还能支撑着整个人体。在运动的过程中，骨骼间常常会相互接触挤压而受到力的作用产生一定的伤害。而人体防护装备的研究，主要还是以运动护具和运动鞋为主；有关防护服装的研究，目前还停留在结构设计、舒适性、功能性等方面，忽略了人体对运动防护的需求。倘若运动服装本身具有防护的效果，那将给参与运动的人带来极大的便利。所以，从人体运动损伤的发生机制出发，根据外部约束条件的变化，来研究开发防护性的服装，是未来的研究热点。
　　本课题以人体下肢易损伤的跑步运动为研究目标，采用生物力学中的有限元仿真模拟，对跑步运动裤的防护性进行研究，通过有限元仿真获得了防护参数，并运用在服装的研发中，开发对人体膝关节具有防护作用的运动裤。
　　首先从人体解剖学的角度，对在跑步运动中人体下肢易损伤的膝关节的结构进行了分析，并进一步分析了膝关节骨骼损伤的原因，即长时间相互接触承受高频次的应力而导致过劳性损伤。
　　其次利用交互式医学影像控制系统Mimics对膝关节CT扫描的DICOM格式数据进行处理，建立起全膝关节的三角面模型；由逆向工程软件Geomagic studio对模型进行一系列的修补、降噪、格栅、曲面拟合等处理，再经Pro/E的重新组装，最终获得了膝关节骨骼-肌肉系统三维实体模型。
　　然后通过ANSYS Workbench仿真平台对膝关节三维实体模型进行前处理，包括定义单元类型、赋材质、划分网格，并在胫股关节间施加静态的接触力，作为损伤载荷；而在膝关节肌肉表面则施加不同的表面载荷，作为防护载荷，对跑步运动中膝关节骨骼的应力应变及变形进行静态分析。结果表明，施加的表面防护载荷对人体骨骼起到了一定的防护作用，尤其是股骨远端的变形量呈变小的趋势。
　　但静态结构分析并不足以模拟跑步运动给人体骨骼带来一定的损伤情况。接着通过Optotrak_Certus动态捕捉系统及TrueImpulse三维测力台对跑步运动进行相关数据的捕捉，利用动力学公式，计算得到胫股关节在一个步态周期内膝关节骨骼间的接触力。以该接触力作为有限元疲劳分析的动态损伤载荷，重复循环作用于胫股关节，同时在膝关节表面施加防护载荷，模拟人体膝关节在穿着不同防护运动裤的作用下，骨骼的局部应力和疲劳寿命。结果得到的防护参数可以适合不同的人群：
　　①防护载荷参数在5.88-7.85kpa之间，并尽可能接近7.85kpa，这个区间的防护参数的防护性能最好，适合追求对自身防护的人群。
　　②防护性参数在1.96-3.92kpa的范围，比较适合渴望防护性和压迫舒适性同时兼得的群体，尽管这个区间的参数的防护效果不及5.88-7.85kpa。
　　最后将防护参数应用于产品的开发中，对研制出的具有防护性能的运动裤，采用实验评价的的方法对其运动性能、防护效果进行评估，得出的结果不仅说明了该防护参数确实对人体具有防护的效果，而且也证实了将有限元分析法运用在运动防护服装的研究中是可行的，并进一步对跑步运动裤进行优化设计，使其具有一定的实用性，该方法对其他运动防护服的研究也具有一定的指导意义。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 课题的研究内容和研究方法

1.4 课题的研究目标和研究思路

1.5 本课题的创新点

本章小结

第二章 有限元分析法的确定及其在生物力学中的应用

2.1 有限元分析法的确定

2.2 有限元分析法在人体生物力学中的研究

本章小结

第三章 跑步运动损伤机理及膝关节三维仿真模型的建立

3.1 跑步运动损伤的原理

3.2 膝关节三维仿真模型的建立

本章小结

第四章 基于Ansys Workbench膝关节有限元模型的静态分析

4.1 Ansys Workbench的优势

4.2 膝关节三维有限元模型的前处理

4.3 载荷的加载

4.4 膝关节有限元模型的静态结果及分析

本章小结

第五章 膝关节骨骼的有限元疲劳分析

5.1 疲劳概述

5.2 膝关节动态载荷的获得

5.3 膝关节骨骼疲劳分析与结果

本章小结

第六章 跑步防护运动裤的开发及验证实验

6.1 跑步防护运动裤的开发

6.2 防护性参数验证实验

6.3 跑步防护运动裤的优化设计

本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文结论

7.2论文的不足及进一步的研究

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢