基于鸵鸟足牵引缓冲特性的短跑鞋关键部位仿生研究

【摘要】本文瞄准鸵鸟足优越的牵引缓冲特性，以鸵鸟足趾甲、趾缓冲垫及跖趾关节为生物原型，基于比赛用短跑鞋功能与结构特点，运用工程仿生学原理与技术，对短跑鞋的固着、加速及缓冲性能进行优化研究，旨在提高跑鞋的加速能力，并有效改善跑鞋的平稳性能和缓冲性能。通过鸵鸟足趾甲越沙贡献分析，获取了鸵鸟足趾甲的固着牵引机理，以鸵鸟足趾甲为生物原型，基于逆向工程技术，设计出一种新型仿生跑鞋鞋钉。基于已有鞋钉排布理论，采用实验与仿真相结合的研究方法，根据人足底压力分布特点，对短跑跑鞋鞋钉排布进行了优化设计。通过生物解剖学实验，确定了鸵鸟足趾垫内部结构及跖趾关节活动特点，以鸵鸟足趾缓冲垫和跖趾关节为生物原型，进行了跑鞋鞋底缓冲垫和足跟缓冲器的仿生设计。将仿生跑鞋鞋钉、仿生鞋底缓冲垫和仿生足跟缓冲器进行组装设计，研制出一种具有优良加速性能和缓冲吸能特性的仿生短跑鞋。采用宏微观测量技术，研究了鸵鸟足结构和表面形貌的良好越沙机制。结合高速摄像分析和数值模拟等研究手段，系统地研究了鸵鸟足趾甲固沙限流和增大牵引机理及主要影响因素，获取了鸵鸟足趾甲典型形貌结构与其优良固着和牵引性能之间的关系。以组织胚胎学理论为基础，通过生物解剖学实验，观测了鸵鸟足垫的内部结构以及趾缓冲垫的分布规律，结合足趾缓冲垫的石蜡切片观测结果，研究了鸵鸟足第Ⅲ趾缓冲垫的微观结构和生物组成成分。进行了鸵鸟足第Ⅲ趾缓冲垫的力学性能实验，结合生物组织行为学观测结果，获取了鸵鸟足趾缓冲垫的良好缓冲吸能特性的主要影响因素。以鸵鸟足趾甲为生物原型，运用逆向工程技术，获取了足趾甲的三维重构模型；基于鸵鸟足趾甲形貌结构与其优良固着牵引性能之间的关联机理，运用工程仿生学技术，设计了新型仿生短跑鞋鞋钉；采用有限元模拟技术，优化设计了仿生鞋钉的结构。通过实验与模拟分析，将仿生鞋钉与普通鞋钉对比，验证了仿生鞋钉能够产生更大的水平推力，并且具有优越的平稳性、抓地性能及加速能力。通过鞋钉排布方式对短跑跑鞋抓地和加速性能的影响研究，设计了三种典型鞋钉排布方案，通过有限元仿真，根据三种鞋钉排布方式的平稳性和加速性对比分析结果，确定了最优短跑跑鞋鞋钉排布方案。加工并制作出仿生鞋钉、普通鞋钉、仿生鞋底试件及普通鞋底试件，通过实验室实验和有限元模拟，以载荷和速度为实验条件，分析了鞋钉（群）对地面的挤压阻力和水平推力变化情况。研究结果表明，鞋钉结构及排布方式对跑鞋的抓地力和水平推力均有重要影响。针对鞋钉单体和鞋底试件用鞋钉群体，对比仿生鞋钉与普通鞋钉，前者的挤压阻力小于后者，而前者的水平推力则大于后者。使用三维激光扫描仪获取鸵鸟足第Ⅲ趾缓冲垫的三维数据点云，并通过核磁共成像技术（MRI）确定足垫内各趾缓冲垫解剖前的相对位置和形态。基于逆向工程和三维建模技术，得到了仿生鞋底缓冲垫缓冲结构单元。基于仿生缓冲结构单元，结合已有鞋底缓冲结构设计原理，设计出仿生鞋底缓冲垫。利用有限元仿真软件ABAQUS对仿生鞋底缓冲垫的工作过程进行了模拟，结果表明该缓冲垫具有良好的缓冲吸能特性。根据鸵鸟足跖趾关节的观测和解剖实验结果，分析了鸵鸟足跖趾关节在鸵鸟奔跑过程中的吸能减震作用。根据鸵鸟足跖趾关节的作用机理，运用工程仿生学技术，设计了一种仿生足跟缓冲器，并运用ADAMS软件对其进行了多体动力学分析，确定了其工作安全性和稳定性。根据仿生短跑鞋鞋钉、鞋钉排布方案、仿生鞋底缓冲垫及仿生足跟缓冲器的研究结果，参考短跑鞋各部位设计指标，通过合理组装，设计出一种新型仿生短跑鞋。该仿生短跑鞋具有优越的抓地、加速及吸能减震性能，同时具有良好平稳性与安全性。
【作者】刘海宝；
【导师】张锐；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】鸵鸟足；牵引减震；仿生鞋钉；缓冲结构；仿生短跑鞋；工程仿生学；

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