???????????????????2??????????

前手翻屈体前空翻2周是男子跳马最高难度动作之一. 迄今,我国只有胡俊捷曾完成 该动作. 本文通过三维运动学分析技术揭示了胡俊捷完成前手翻屈体前空翻2周动作的运动 学规律与技术特点,获得了身体重心和主要关节的位移,水平速度和垂直速度及关节角度等 运动学指标的变化. 这些结果可为我国运动员发展和改进此类动作提供理论依据和技术参 考.     

羽毛球运动员踝关节生物力学特征对机械不稳的影响研究

分析羽毛球运动员蹬转(一步)起跳动作中踝关节落地瞬间到缓冲结束阶段的运动生物力学特征对机械不稳的影响，为避免初学者发生运动损伤提供理论支持。采用瑞典生产QUALISYS-MCU 500光学运动捕捉系统和Kistler三维测力台同步获取受试者踝关节的运动生物力学参数。结果：(1)运动学方面，初学者踝关节跖屈和背屈角度均显著小于高水平运动员(P<0.05),初学者内翻和内旋角度均显著大于高水平运动员(P<0.001),两组外翻和外旋角度不存在显著差异(P>0.05);(2)动力学方面，初学者外翻力矩和外旋力矩均显著大于对照组(P<0.05),内旋力矩显著小于高水平运动员(P<0.05),两组跖屈力矩之间差异不存在显著性(P>0.05)。得到以下结论：相对于高水平运动员，初学者表现出过度的踝关节内翻、落地时背屈相对受限、受力不稳等特点，这可能使运动员更容易发生运动损伤，建议重视小腿腓侧肌群训练，加强踝关节外侧韧带的专项练习，以控制踝关节额状面运动，从而预防踝关节发生运动损伤，加强对关节的保护，以适应后期高强度训练和比赛。     

多体系统动力学中关节效应模型的研究进展

在一般的多体系统动力学研究中认为运动关节是理想运动副. 然而,实际中的运动关节不仅含有间隙与摩擦,还有间隙引起的关节元素之间的接触碰撞、局部变形和磨损. 多体系统动力学中的关节效应不仅引起了系统的振动和噪声,减小了系统的可靠性和寿命,而且损失了系统的精度和稳定性. 为此,对近十几年多体系统动力学中关节效应的研究进行了详细分析,总结了关节效应中间隙运动学模型、接触力模型与磨损模型在多体系统动力学中的建模过程. 其中,着重分析了多体系统动力学中关节磨损效应的研究进展,并对常用的Reye'shypothesis 和Archard 磨损模型进行了比较,详细地分析了Archard 磨损模型的演变形式以及主要磨损参数(接触应力,接触面积和滑移距离),特别分析了关键磨损参数接触应力的建模方法,解释了基于Winkler 弹性基础理论在求解接触应力时遇到的困难. 另外,介绍了4 种间隙运动副(转动副、移动副、圆柱副和球面副) 的运动学模型. 分析了考虑关节磨损多体系统动力学模型的一般建模方法,并以平面五杆机构为例说明了其建模过程.最后,简要地展望了多体系统动力学中关节效应模型的发展趋势以及应用前景.      

人体肌骨的多柔体系统动力学研究进展

人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统, 包括骨骼、骨骼肌与关节连接, 其力学模型是典型的多柔体系统. 从多体动力学角度研究肌骨系统, 主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响, 属于动力学与生物力学的交叉融合. 肌骨系统的多体动力学模型已被广泛地应用于临床医学、竞技体育、军事训练、人机工程等诸多领域, 其仿真结果可为提高人体运动能力、降低关节载荷与能耗、避免运动损伤、加快康复进程等提供重要计算参考数据. 与此同时, 上述研究亦对肌骨动力学研究提出了许多新挑战. 本文综述了人体肌骨多柔体系统动力学相关研究进展, 包括骨骼肌功能解剖与生物力学建模、神经与肌肉控制理论、肌骨系统动力学问题与求解方法, 以及近年来肌骨多体动力学在步态分析、飞行员抗荷动作、口颌手术规划等领域的典型应用. 与工程领域的机械多体系统相比, 人体肌骨多体系统具有肌肉内力主动性与肌肉控制冗余性两大特征. 现有骨骼肌模型难以同时考虑肌肉的解剖结构、三维几何与肌力产生的生物化学机制. 已有大多数肌骨模型采用静态优化假设消除肌肉冗余性, 忽略了肌肉与肌腱内力平衡及兴奋收缩耦联机制. 此外, 目前仍缺乏实现肌骨模型个性化的无创在体测试手段. 未来, 人体肌骨多体动力学研究将会向更精确、智能、个性化的方向发展, 成为动力学与生物力学交叉的热点研究领域.      

解读短道速滑运动员大幅度倾斜身体过弯的力学原理

短道速滑运动员在弯道高速滑行过程中需保持身体大幅度倾斜,这一现象背后蕴含着经典的力学原理,是力学教学与实践中极为有价值的案例.本文通过对短道速滑运动员高速过弯时的运动学描述以及动力学分析来对短道速滑运动员大幅度倾斜身体过弯的力学原理进行解释.通过牛顿第一、第二定律以及实验观测来获得质点做匀速圆周运动时向心加速度的计算公...     

人体落地冲击力冲量的分析和计算

本文根据人体落地受伤是受冲击力的大小、冲击作用时间长短以及冲击力矩(如扭伤)等因素所致的事实出发,将人体着地瞬间看作撞击过程,以冲击力的冲量和冲量矩作为人体和各关节所承受的冲击作用的度量.利用多刚体系统动力学理论及计算方法给出了计算总撞击冲量及关节内冲量、冲量矩的算法;编制了相应的计算程序.以垂直落地为例所作的计算与已有结果一致.     

跑鞋纵向抗弯刚度调整对青少年下肢生物力学影响的研究

探讨青少年跑者在不同纵向抗弯刚度(longitudinal bending stiffness, LBS)跑鞋条件下进行跑步运动时的下肢生物力学参数变化。选取10名有一定训练基础的约13周岁青少年跑者,年龄(13.5±0.6)岁;身高(166.3±1.9) cm;体质量(50.8±3.1) kg;足长(25.4±0.2) cm,分别选用3种LBS不同的跑鞋(低刚度鞋：5.0 N·m;中刚度鞋：6.3 N·m;高刚度鞋：8.6 N·m)进行跑步运动生物力学综合测试,通过VICON三维运动捕捉系统和AMTI三维测力台同步采集受试者下肢反光标记点轨迹和地面反作用力,分析比较不同LBS跑步支撑期的下肢关节角度、峰值力矩、关节功率和做功变化。在3种不同LBS条件下,中刚度鞋和高刚度鞋的髋关节屈伸活动度显著小于低刚度鞋;高刚度鞋的跖趾关节屈伸活动度显著小于低刚度鞋与中刚度鞋;矢状面上,中刚度鞋和高刚度鞋的髋关节峰值力矩显著小于低刚度鞋;低刚度鞋与中刚度鞋的踝关节峰值力矩显著小于高刚度鞋;中刚度鞋和高刚度鞋的跖趾关节峰值力矩显著小于低刚度鞋。中刚度鞋和高刚度鞋髋关节做正功和负功显著小于低刚度鞋;中刚...     

基于CFD方法的超空泡航行体弹道特性研究

基于计算流体动力学软件 CFX,通过二次开发实现多相流 URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程和刚体纵向平面运动学方程的耦合求解,建立了三维超空泡航行体动力学仿真模型.研究了空化器偏角、水平尾翼偏角、航行体质心位置对弹道特性的影响.仿真结果表明:高速运动条件下无控超空泡航行体具有稳定性;空化器或水平尾翼的小角度偏转(-3°~3°)能够有效调节航行体的弹道参数,通过空化器偏转控制航行体最终稳定于空泡中心,避免航行体表面沾湿区的出现;质心位置的小幅后移有利于维持航行体水平直线航行,在超空泡航行体的设计中应予以重点考虑.     

有限元法在下肢肌骨系统生物力学研究中的应用进展

随着各学科交叉融合不断深化,有限元法因其高效、精确、便捷等优点被广泛用于下肢肌骨系统生物力学研究,促进了临床个体化治疗、康复辅具、智能可穿戴等领域的发展,具有广阔的应有前景。以Web of science、PubMed、CNKI数据库为数据来源,“finite element and (lower limb or lower extremity or leg)”为英文检索词,“有限元、下肢”为中文检索词检索2018—2022年以下肢为重点的有限元研究。本研究系统阐述了有限元法在骨折预测及风险评估、骨折固定方法及固定器械力学分析、关节置换术评估中的临床应用,并探究了有限元法在骨应力分析、康复辅具力学分析、下肢-织物模型力学分析中的研究及应用。结果表明：有限元法可以建立符合生物力学理论的下肢模型,模拟计算各种工况,反映人体组织内部结构的应力应变情况,推动了临床医学个体化治疗研究的深入,促进了下肢康复辅具、智能可穿戴产品向智能化发展。未来的研究应着重提高有限元计算精度,将高精度测量技术、多体动力学肌骨模型与有限元法结合、建立人体-织物有限元模型,进一步促进下肢肌骨系统生物力学研究的广度和深度...     

多刚体系统分离策略及释放动力学研究

紧密连接的多刚体系统可在脱离运载航天器后在轨自主分离,无需多次利用航天器发射装置或在航天器中安装多个发射装置进行分离释放,从而有效提高运载航天器空间利用率, 简化分离释放操作和降低碰撞风险.本文针对多刚体系统的在轨分离释放问题, 研究在轨分离策略及释放过程动力学.首先, 考虑刚体相对运动及姿态变化,基于虚功原理及自然坐标方法建立单个刚体的动力学模型.考虑多刚体系统在轨分离释放阶段的轨道运动和连接约束变化,计入分离时刚体间的相互作用,利用拉格朗日乘子法获得含连接约束的非线性动力学模型. 考虑到实际工程应用,在多刚体系统分离释放阶段,通过安装在刚体间每个接触表面4个角上的弹射装置实现自主分离. 其次,为保证分离过程中刚体之间无碰撞发生, 规划了多刚体系统的分离时序,并基于不同弹射方向及分离顺序设计了两种分离释放方案. 最后,通过算例研究分析了在轨分离释放过程中刚体的非线性动力学行为,验证了分离释放方案的有效性.      

折叠翼飞行器的动力学建模与稳定控制

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.      

DYNAMIC MODELING AND STABILITY CONTROL OF FOLDING WING AIRCRAFT 1)

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.     

踝关节外骨骼人机耦合动力学与助力性能分析

踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩, 因此在下肢增强型外骨骼的研究中, 踝关节外骨骼受到了重点关注. 穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题, 但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段. 本文以绳驱踝关节外骨骼为研究对象, 融合机器人正运动学方法和拉格朗日方程建立了考虑足?地交互力、人体关节力矩和外骨骼力矩的人?机耦合动力学模型. 模型中, 足?地交互力由Kelvin-Voigt模型结合库伦摩擦模型描述, 人体关节力矩由基于粒子群优化的PD控制生成, 外骨骼期望力矩由上层控制器依据人体步态周期确定. 通过基于模型的动力学仿真, 本文从人体踝关节角度、踝关节力矩、踝关节功率和踝关节做功多个角度系统分析了踝关节外骨骼对人体行走的助力效果. 研究表明, 在2.0 km/h到6.5 km/h的人体步行速度下, 穿戴外骨骼可以实现至少24.84%的人体踝关节平均力矩下降和至少24.69%的踝关节做功下降. 本文也开展了基于SCONE平台的肌肉骨骼建模和预测仿真. 仿真结果表明, 在3.6 km/h的步行速度下, 穿戴外骨骼可以有效降低比目鱼肌的激活度峰值, 并使肌电信号的RMS值下降了6.21%, 从而从生理学的角度证实了踝关节外骨骼的助力效果. 本文的结果进一步完善了人体下肢?外骨骼耦合系统的动力学建模和分析方法, 从动力学和生理学角度证实和解释了踝关节外骨骼对行走的助力机制, 也为今后下肢外骨骼的实验研究提供了理论支撑.      

骨骼肌生物力学特性多尺度建模与仿真

针对肌纤维微观结构模型与显微镜下观察的图像存在一定差异、微观组分生物力学模型无法有效捕获骨骼肌剪切变形时的力学行为、骨骼肌多尺度数值模型计算成本高的问题,本文从实验、多尺度建模和仿真的角度研究骨骼肌被动力学特性,提出以曲边泰森多边形作为肌纤维截面形状,并建立骨骼肌微观尺度代表性体元RVE;提出新的生物力学模型(MMA模型),并将MMA模型作为肌纤维和结缔组织生物力学模型,MMA模型采用完全的应变不变量I₄, I₅, I₆和I₇,使骨骼肌的剪切行为从材料属性层面得以体现;结合骨骼肌力学实验结果、RVE模型、肌纤维和结缔组织的生物力学模型,建立骨骼肌多尺度数值模型.根据实验结果确定生物力学模型参数,通过多尺度均匀化方法实现微观尺度和宏观尺度之间的连接,最终获得骨骼肌宏观力学行为,通过纵向拉伸、横向拉伸、平面外纵向剪切和平面内剪切4种变形形式的仿真结果验证骨骼肌多尺度数值模型的收敛性.研究了生物力学模型中模型参数、肌纤维体积分数和肌纤维结构对骨骼肌宏观力学行为的影响,最后通过实验验证多尺度数值模型的有效性...     

电子器件隔振系统的神经网络杂交建模研究

对一个由四个钢丝绳隔振器组成的某电子器件隔振系统动力学特性进行了神经网络杂交建模.建立了隔振系统的刚体动力学方程,发展了一种根据实验数据间接确定隔振器恢复力的方法.通过网络训练获得了描述钢丝绳隔振器恢复力特性的神经网络模型,与系统运动方程结合构建了隔振系统的神经网络串连杂交模型.仿真结果表明,杂交模型在不同量级的简谐激励下,均能够较为准确地预测结构多点的稳态响应,因而具有较高的精度.此外,杂交模型包含了系统的物理参数,便于进行参数影响分析.     

基于约束关系的下颈椎运动测量新方法

下颈椎各个关节准确稳定的运动参数是医生对颈椎病进行诊断的重要依据。本文提出了一种满足颈椎耦合约束关系,基于双目视觉原理的下颈椎运动参数测量方法。首先,根据下颈椎围绕瞬时旋转中心运动的特点和下颈椎耦合运动的规律,建立了满足耦合约束关系的下颈椎运动学模型;其次,在下颈椎解剖学特征位置(棘突和横突)上布置标志点,借助多台摄像机,基于双目视觉原理和三维数字图像相关(3D-DIC)技术,直接测量不考虑耦合约束关系的下颈椎前屈、后伸、左旋、右旋及侧屈等运动时的角度;最后,利用考虑耦合约束关系的运动学模型对下颈椎运动角度变化曲线进行了校正。波动范围的分析结果表明测量的稳定性得到了提高。利用本方法实现了对下颈椎关节运动角度的实时测量,提供了一种对下颈椎关节运动进行稳定测量的有效手段。     

刚体单元及其在多体系统动力学中的应用

多体系统动力学分析软件要求人工输入形状复杂物体的质量、质心位置和转动惯量,而实际上这些参量并不容易获得。本文探索了一种以组成物体的刚体单元为基本要素的新方法,并结合实际需要具体构造了刚性四面体和刚性梁单元。以刚体单元为基础并内嵌网格剖分模块的分析软件能够自动获得这些参数,从而具备处理任何复杂系统的能力。仿真结果的对比分...     

基于对称性的三维车辆轨道耦合系统随机振动虚拟激励方法

基于结构的对称性提出了用于三维车辆轨道耦合系统高效随机动力响应分析的虚拟激励方法.车辆采用刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模,车辆与轨道通过线性轮轨关系耦合.采用虚拟激励法将高低、方向和水平三类轨道不平顺转化为一系列筒谐的虚拟不平顺;考虑车辆及轨道结构的对称性,分别推导了耦合系统的对称和反对称凝聚矩阵,提出了用于车辆轨道耦合系统动力响应计算的自由度凝聚方法,将耦合系统的自由度缩减至原来的一半以下,并在此基础上实现了耦合系统随机振动的高效分析.数值算例将本文方法与传统有限元方法进行对比,验证了本文方法的正确性和有效性.     

基于修正的Craig-Bampton法的大长径比助推器分离特性研究

在芯级周围布置助推器是提升运载能力的有效手段。对于长径比较高的助推器,结构呈现明显的局部弹性效应,这将对助推器分离的安全性产生影响。针对传统Craig-Bampton方法无法适用于大范围运动弹性体的不足,本文采用修正的Craig-Bampton法获得系统的正则化模态,使研究对象的所有模态与频率一一对应,实现分离体大范围刚体运动与弹性变形的有效耦合。基于该方法开展柔性多体动力学仿真,获得了不同模态阶数和结构刚度的弹性助推器分离系统的分离特性。研究结果表明,与传统的刚体模型相比,考虑助推器弹性效应的分离动力学模型更加贴近真实飞行情况。基于此,获得了各阶模态和结构刚度对分离安全边界的影响规律,其中以一阶横向模态最为敏感。通过研究弹性助推器的分离特性,为运载火箭助推器分离系统的工程实际应用提供理论参考和研究支撑。     

基于修正的Craig-Bampton法的大长径比助推器分离特性研究

在芯级周围布置助推器是提升运载能力的有效手段。对于长径比较高的助推器，结构呈现明显的局部弹性效应，这将对助推器分离的安全性产生影响。针对传统Craig-Bampton方法无法适用于大范围运动弹性体的不足，本文采用修正的Craig-Bampton法获得系统的正则化模态，使研究对象的所有模态与频率一一对应，实现分离体大范围刚体运动与弹性变形的有效耦合。基于该方法开展柔性多体动力学仿真，获得了不同模态阶数和结构刚度的弹性助推器分离系统的分离特性。研究结果表明，与传统的刚体模型相比，考虑助推器弹性效应的分离动力学模型更加贴近真实飞行情况。基于此，获得了各阶模态和结构刚度对分离安全边界的影响规律，其中以一阶横向模态最为敏感。通过研究弹性助推器的分离特性，为运载火箭助推器分离系统的工程实际应用提供理论参考和研究支撑。