基于生物力學的跑步防護運動褲的研究.pdf

1、骨骼作為人體的重要器官，不僅保護著人體的內(nèi)臟，而且還能支撐著整個人體。在運動的過程中，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。而人體防護裝備的研究，主要還是以運動護具和運動鞋為主；有關防護服裝的研究，目前還停留在結構設計、舒適性、功能性等方面，忽略了人體對運動防護的需求。倘若運動服裝本身具有防護的效果，那將給參與運動的人帶來極大的便利。所以，從人體運動損傷的發(fā)生機制出發(fā)，根據(jù)外部約束條件的變化，來研究開發(fā)防護性的服裝，是未

2、來的研究熱點。
　　本課題以人體下肢易損傷的跑步運動為研究目標，采用生物力學中的有限元仿真模擬，對跑步運動褲的防護性進行研究，通過有限元仿真獲得了防護參數(shù)，并運用在服裝的研發(fā)中，開發(fā)對人體膝關節(jié)具有防護作用的運動褲。
　　首先從人體解剖學的角度，對在跑步運動中人體下肢易損傷的膝關節(jié)的結構進行了分析，并進一步分析了膝關節(jié)骨骼損傷的原因，即長時間相互接觸承受高頻次的應力而導致過勞性損傷。
　　其次利用交互式醫(yī)學影像控制系統(tǒng)

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

4、面則施加不同的表面載荷，作為防護載荷，對跑步運動中膝關節(jié)骨骼的應力應變及變形進行靜態(tài)分析。結果表明，施加的表面防護載荷對人體骨骼起到了一定的防護作用，尤其是股骨遠端的變形量呈變小的趨勢。
　　但靜態(tài)結構分析并不足以模擬跑步運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動進行相關數(shù)據(jù)的捕捉，利用動力學公式，計算得到脛股關節(jié)在一個步態(tài)周期內(nèi)膝關節(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，重復循環(huán)作用于脛股關節(jié)，同時在膝關節(jié)表面施加防護載荷，模擬人體膝關節(jié)在穿著不同防護運動褲的作用下，骨骼的局部應力和疲勞壽命。結果得到的防護參數(shù)可以適合不同的人群：
　?、俜雷o載荷參數(shù)在5.88-7.85kpa之間，并盡可能接近7.85kpa，這個區(qū)間的防護參數(shù)的防護性能最好，適合追求對自身防護的人群。
　?、诜雷o性參數(shù)在1.96-3.92kpa的范圍，比較適合渴望防護性和壓迫