人—自行车鞍座系统有限元分析与舒适性研究

        自行车鞍座的舒适性对于骑乘者至关重要。改善鞍座舒适性是众多自行车制造商提高自身产品竞争力的主要手段。研究表明，人体在舒适度不够的鞍座上骑行，会影响其血液循环系统、泌尿生殖系统，危害身体健康。本文首次将三维人体模型与鞍座耦合结合起来进行有限元仿真分析，研究了鞍座不同安放、材料特性、结构特点以及人体骑行姿势下的应力及接触应力的分布规律，对人体舒适性的影响，并进行了模态分析，根据分析结果研究了影响骑行舒适性的因素。 根据鞍座人机工程学原理，提出影响骑行舒适性的因素主要为鞍座的物理特性和人体的骑行姿势两方面。其中鞍座物理特性主要包括鞍座的形状、硬度、位置；而人体骑行姿势包括休闲姿势和运动员姿势两种。 将人体视为非均弹性模量和非均质的连续体,并将其离散化处理，参照“中国成年人体尺寸标准”数据，以18~25岁女子95百分位尺寸为标准，利用PROE三维绘图软件建立具有16个生理环节的人体模型，并与鞍座三维模型进行装配，然后导入ANSYS，建立有限元模型。研究了鞍座位置、形状、硬度以及骑行姿势对人体接触压力的大小。发现同等条件下鞍座水平放置时，人体所受接触压力比鞍座上倾时小得多，且均在鞍座许用强度之内；当改变鞍座形状，其中间带有凹槽时，会阴部位下陷，此时鞍座对人体会阴部的压迫会大大降低；比较休闲姿势和运动员姿势下人体所受接触压力大小，可以发现，休闲姿势可以很好的减小来自鞍座的接触压力。另外定量分析鞍座的材料物理特性对人体接触压力大小分布的影响时，人体接触压力随着鞍座硬度变大而变大；并且同等条件下弹簧刚度增大，人体接触压力也会变大，影响骑行舒适性。分析结果为鞍座设计提供了理论依据和指导思想。 对人体与自行车鞍座耦合模型进行模态分析得出位移矢量图和主振型，利用动力学响应理论研究影响骑行平顺性的因素，分析路面激励下人体与自行车鞍座耦合模型的固有频率应避开各种路况的道路激励频率范围，以消除共振象，避免产生剧烈的振动，防止给人体骑行带来不适。进一步证明了人体与自行车鞍座耦合模型有限元分析的理论可行性，具有重要应用价值。