基于生物力學(xué)的跑步防護(hù)運(yùn)動褲的研究.pdf

1、骨骼作為人體的重要器官，不僅保護(hù)著人體的內(nèi)臟，而且還能支撐著整個(gè)人體。在運(yùn)動的過程中，骨骼間常常會相互接觸擠壓而受到力的作用產(chǎn)生一定的傷害。而人體防護(hù)裝備的研究，主要還是以運(yùn)動護(hù)具和運(yùn)動鞋為主；有關(guān)防護(hù)服裝的研究，目前還停留在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、舒適性、功能性等方面，忽略了人體對運(yùn)動防護(hù)的需求。倘若運(yùn)動服裝本身具有防護(hù)的效果，那將給參與運(yùn)動的人帶來極大的便利。所以，從人體運(yùn)動損傷的發(fā)生機(jī)制出發(fā)，根據(jù)外部約束條件的變化，來研究開發(fā)防護(hù)性的服裝，是未

2、來的研究熱點(diǎn)。
　　本課題以人體下肢易損傷的跑步運(yùn)動為研究目標(biāo)，采用生物力學(xué)中的有限元仿真模擬，對跑步運(yùn)動褲的防護(hù)性進(jìn)行研究，通過有限元仿真獲得了防護(hù)參數(shù)，并運(yùn)用在服裝的研發(fā)中，開發(fā)對人體膝關(guān)節(jié)具有防護(hù)作用的運(yùn)動褲。
　　首先從人體解剖學(xué)的角度，對在跑步運(yùn)動中人體下肢易損傷的膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步分析了膝關(guān)節(jié)骨骼損傷的原因，即長時(shí)間相互接觸承受高頻次的應(yīng)力而導(dǎo)致過勞性損傷。
　　其次利用交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)

3、Mimics對膝關(guān)節(jié)CT掃描的DICOM格式數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立起全膝關(guān)節(jié)的三角面模型；由逆向工程軟件Geomagic studio對模型進(jìn)行一系列的修補(bǔ)、降噪、格柵、曲面擬合等處理，再經(jīng)Pro/E的重新組裝，最終獲得了膝關(guān)節(jié)骨骼-肌肉系統(tǒng)三維實(shí)體模型。
　　然后通過ANSYS Workbench仿真平臺對膝關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型進(jìn)行前處理，包括定義單元類型、賦材質(zhì)、劃分網(wǎng)格，并在脛股關(guān)節(jié)間施加靜態(tài)的接觸力，作為損傷載荷；而在膝關(guān)節(jié)肌肉表

4、面則施加不同的表面載荷，作為防護(hù)載荷，對跑步運(yùn)動中膝關(guān)節(jié)骨骼的應(yīng)力應(yīng)變及變形進(jìn)行靜態(tài)分析。結(jié)果表明，施加的表面防護(hù)載荷對人體骨骼起到了一定的防護(hù)作用，尤其是股骨遠(yuǎn)端的變形量呈變小的趨勢。
　　但靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析并不足以模擬跑步運(yùn)動給人體骨骼帶來一定的損傷情況。接著通過Optotrak_Certus動態(tài)捕捉系統(tǒng)及TrueImpulse三維測力臺對跑步運(yùn)動進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的捕捉，利用動力學(xué)公式，計(jì)算得到脛股關(guān)節(jié)在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)膝關(guān)節(jié)骨骼間的接

5、觸力。以該接觸力作為有限元疲勞分析的動態(tài)損傷載荷，重復(fù)循環(huán)作用于脛股關(guān)節(jié)，同時(shí)在膝關(guān)節(jié)表面施加防護(hù)載荷，模擬人體膝關(guān)節(jié)在穿著不同防護(hù)運(yùn)動褲的作用下，骨骼的局部應(yīng)力和疲勞壽命。結(jié)果得到的防護(hù)參數(shù)可以適合不同的人群：
　　①防護(hù)載荷參數(shù)在5.88-7.85kpa之間，并盡可能接近7.85kpa，這個(gè)區(qū)間的防護(hù)參數(shù)的防護(hù)性能最好，適合追求對自身防護(hù)的人群。
　　②防護(hù)性參數(shù)在1.96-3.92kpa的范圍，比較適合渴望防護(hù)性和壓迫