生物力学功能（共8篇）
生物力学功能 篇1
1 网球鞋鞋底的研发要点
运动鞋鞋底结构一般包括外底和中底, 外底的功能一是保护脚底, 使其不受地面利物的损伤;二是起到制动、防滑等多种作用来满足不同项目的特定要求。常用的运动鞋外底材料有全 (橡) 胶、全塑 (料) 、橡塑并用及聚氨酯等。中底主要的作用是减震、存储能量以及能量的返还。
网球鞋鞋底除了具有一般运动鞋底的功能外, 还应有自己的独特性能, 主要表现在底部件的设计上。从网球运动特性可知, 网球鞋外底前掌是主要受力部位, 应有很好的制动效果, 其外底花纹在左右和前后方向要有较强的抗滑移能力, 后跟部位也要有必要的防滑效果, 以避免运动中的重心不稳, 影响运动成绩, 达不到运动保护的目的。另外, 网球运动过程中有较多的迅速止滑运动, 鞋外底花纹与地面摩擦后, 纹峰易磨损, 摩擦系数降低, 止滑性减弱。因此, 耐磨也就成了防滑的前提。要求鞋底前掌外侧和后跟部位耐磨性好。另外, 在侧身击球时, 要求鞋具有良好的翻转控制功能。
从功能方面, 由于网球运动场地大, 运动员跑动距离长, 在一场比赛中需要3~400次的能量释放, 特别是运动员从静止状态或制动后的爆发式启动, 更需要运动员满负荷的能量释放。所以, 专业网球鞋的弹性、即能量回归的功能显得尤为重要, 运动鞋释放出的反作用力能为穿用者节省更多的体力。另外, 高强度的步法移动和跳跃势必给运动员膝、踝关节带来冲击, 要求鞋底前尖和后跟部位硬度小一些。因此, 网球鞋的减震功能也是设计者必须考虑的。
鞋的质量大小亦对运动成绩产生影响。鞋是人体本身以外的附加体, 鞋的质量越大, 在运动全过程中消耗的能量累积效应也越大。假设跑动的距离为s, 每只鞋的质量为m, 则人体在每只跑鞋上所消耗的能量约为1.5 mgs (J) 。这表明随着距离的增大, 其能量积累效应也将越来越明显[1]。鞋子每增加0.1 kg质量, 人体需要多消耗约1%的能量[2]。由于网球运动强度大, 运动员体能消耗较大, 要求尽量减少体重外的负荷, 鞋成了主要考虑因素, 要在确保牢固的前提下减小鞋底及整鞋的重量。
网球运动中足部有一定的屈挠和弯曲, 是网球鞋的底部件易达到疲劳极限, 易在外表层产生细小裂纹, 最终导致底部断裂, 所以网球鞋的耐屈挠性很重要。网球鞋前跷较低的设计, 可使人体具有较好的稳定性。
网球鞋鞋底的总体设计要求是耐磨、耐屈挠、止滑性、减震性、弹性好, 稳定性好, 质轻。而防滑性和弹性 (能量回归) 是对专业网球鞋鞋底最重要、最基本的性能要求, 也是本研究从生物力学角度所要探讨的问题。
2 实验研究
2.1 大底止滑性实验
2.1.1 实验原理
运动鞋的止滑性能是指在人运动过程中鞋底的防滑性, 其值可以用鞋底与运动场地面的动摩擦系数和静摩擦系数的大小来表示, 摩擦系数越大, 止滑性能越好。因此在研究鞋底止滑性能的大小时, 采取的方法一般都是利用各种摩擦力测试仪测量实验鞋底在定的垂直压力下, 以一定的速度在实验路面上滑动时所产生的摩擦力, 用测得的摩擦力除以垂直压力就是摩擦系数值。如前所述, 鞋底止滑性能的影响因素非常多, 并且各因素之间的关系复杂, 这不仅影响了实验结果的准确度, 还增加了实验结果分析的难度。为了尽量减少实验误差和不同因素的干扰, 提高实验结果的置信度, 本实验固定了其它的实验条件和因素 (止滑测试仪的行程, 滑动速度, 法向载荷等, 如下所述) 。
2.1.2 实验目的
止滑性能是网球鞋的重要指标, 而耐磨性是止滑性的前提。本实验通过测试三双实验用鞋的静摩擦力、动摩擦力及相同条件下的鞋底磨损情况, 从而评价采用不同花纹和材料组合对鞋底的止滑性及耐磨性的影响。
2.1.3 实验内容
运用电脑式鞋子止滑试验机两次对鸿星尔克“灵足”网球鞋、NIKE AIR COURT网球鞋、ADIDAS BARRICADE网球鞋进行止滑性试验。并通过鞋底磨耗质量, 判定鞋底耐磨性 (如表1) 。
2.1.4 实验仪器和设备
PK-227A电脑式鞋子止滑试验机、电子天平。
2.1.5 实验过程
测试实验用鞋在表面光滑的干态混凝土表面上的静摩擦力和动摩擦力。在测试前后分别称单只鞋重, 取平均值。
2.1.6 法向载荷的选定
同样, 在已经选定的速度和行程两个水平的基础上, 选取负载为10 kg、20 kg、30 kg三个水平进行测试。测试结果表明, 法向载荷为30 kg时, 摩擦系数折线的曲率最平稳, 因此选定30 kg为本实验的法向载荷。
2.1.7 滑动速度和摩擦行程的选定
本实验所用止滑仪的最大速度为290 mm/min, 为了使实验外其他方面因素的影响程度降低, 选取了几个速度进行测试, 选择测试数据重现性好的速度值作为正式实验条件。与行程的测定方法相同, 在已经选定的行程 (250 mm) 和相同的负载 (30 kg) 下, 选取290 mm/min, 280 mm/min, 260 mm/min, 195 mm/min, 135 mm/min五个水平进行实验和分析。滑行速度为290 mm/min时摩擦系数折线的曲率最平稳, 因此本实验最后选取的速度为290 mm/min。
室温条件下, 选取以速度290 mm/min, 负载30kg的鞋底在干态混凝土表面上进行实验, 行程分为100 mm、150 mrn、200 mm、250 mm四个水平, 每个水平进行3次, 根据实验所得数据和图形, 选择数据重现性较好和摩擦系数曲率比较平稳的行程水平作为正式实验的行程。实验行程为100 mrn和250 mm时, 折线曲率比较平稳。但因行程为100 mm时摩擦力仍然在增大, 没有达到稳定平稳的状态, 因此本次实验行程选择了250 mrn。
2.1.8 实验结果
表2显示, 三双网球鞋中蹬伸效果最好的是鸿星尔克, 其次是阿迪, 耐克最差;鞋底止滑性最好的是阿迪、鸿星尔克次之、耐克最差。但三种网球鞋鞋底蹬伸效果和止滑性均不存在显著差异。
表3显示, 耐克网球鞋底耐磨性最好, 阿迪次之, 鸿星尔克最差;且耐克和阿迪之间不存在显著差异。
2.2 中底能量回归之实验肌电实验 (肌肉工作状态)
2.2.1 实验目的
网球鞋能量回归的目的是减少身体能量消耗, 而肌电能够通过对肌肉活动的监测来评价肌肉做功和能量消耗, 因而本研究希望通过表面肌电来研究和分析穿不同鞋时的肌肉做功, 进而研究运动鞋的能量回归功效, 为网球鞋能量回归设计提供参考。
2.2.2 实验内容
运用芬兰Mega ME6000 8通道肌电仪, 对6名青少年男性大学生分别穿着鸿星尔克“灵足”网球鞋、NIKE AIR COURT网球鞋、ADIDAS BARRICADE网球鞋, 在网球场底线中点处开始, 交替以交叉步跑向两个单打场地底角, 并迅速将各点的球拿回底线中点处, 同时采集左右下肢各4块不同肌肉做功的平均数据。对平均数据的各通道做功与负荷以及下肢肌肉总做功进行分析, 比较3款不同网球鞋之间的差异。
2.2.3 实验对象
(1) 实验受试者。
注:P<0.05时, 差异显著。本文其它表格也以此为标准。
体育学院男生6名, 身体健康, 无临床病史, 足部形态功能正常, 无足病和运动性障碍, 经过技术培训并经过预实验, 动作稳定性好、测量数据可靠性高。
(2) 实验用鞋购置于大型百货商店品牌特许零售商专柜 (如表4) 。
2.2.4 测试肌肉筛选及其依据
测试肌肉为下肢左右各4块肌肉, 分别为:腓肠肌内侧头、胫骨前肌、股四头肌和股二头肌。测试肌肉的选择基于一定的标准。首先这4块肌肉连接了下肢髋、膝、踝三个关节, 是文献中广为采用的, 这些肌肉也是下肢运动中主要做功肌肉。其次腓肠肌能屈踝关节和屈膝关节, 在站立时, 能固定踝关节和膝关节, 以防止身体向前倾斜;胫骨前肌可使足内翻;股四头肌是全身体积最大的肌肉, 是膝关节强有力的伸肌, 还有屈大腿的作用;股二头肌可以屈膝关节, 伸大腿 (如表5) 。
2.2.5 实验过程
在受试者测试肌肉表面贴上电极片, 连接肌电仪, 随机着三款不同的网球鞋在在网球场底线中点处开始, 交替以交叉步跑向单打场地两个底角, 并迅速将拿回底线中点处, 每次拿一球, 并以节拍器控制时间, 5秒内完成一次往返跑。每次实验间隔15分钟, 让被试充分休息。
2.2.6 表面肌电信号的采集
利用芬兰Mega ME6000 8通道肌电采集盒, 用记录模式分别采集穿3款不同网球鞋时的SEMG信号, 信号的采样频率为1000 Hz, 采样时间35秒, 肌电信号采集采用双电极引导法。
2.2.7 肌电图的分析处理
取运动开始稳定后连续一分钟的肌电图进行分析处理。取平均数据的各通道做功、总做功两项指标。结合SPSS 12.0统计软件包对数据进行多元统计分析。显著性水平P<0.05 (*) , P<0.01 (**) 。
2.2.8 实验结果
(1) 下肢各通道肌肉做功分析。
表6显示:T检验统计量对应的双尾概率P>0.05, 说明差异不显著。
(2) 下肢肌肉总做功分析。
表7显示:在稳定慢跑连续一分钟的肌肉总做功上, 穿鸿星尔克网球鞋时的平均做功为364 035.4 (u Vs) , 穿耐克网球鞋时平均做功为345 337.0 (u Vs) , 穿阿迪达斯网球鞋时的平均做功为342 409.0 (u Vs) 。
穿耐克和阿迪达斯网球鞋时下肢肌肉总做功有显著线性相关, 相关系数高达0.975, 且概率P<0.01。
T检验统计量对应的双尾概率P>0.05, 认为穿三双网球鞋时下肢总做功不存在显著差异。
3 实验分析与结论
3.1 鞋底止滑性实验
3.1.1 鞋底止滑性
前掌静摩擦力从大到小依次为鸿星尔克、阿迪、耐克, 动摩擦力从大到小依次为阿迪、鸿星尔克、耐克。虽无显著差异, 却据因此判定鸿星尔克的独特底纹设计具备良好的止滑性。
3.1.2 鞋底耐磨性
鸿星尔克网球鞋鞋底磨耗质量远大于其他两双网球鞋, 原因与特殊底纹增大了与地面的摩擦接触面以及大底材料选择有关。
3.2 肌肉工作状态
3.2.1 下肢肌肉总做功
其平均值从小到大依次为阿迪、耐克、鸿星尔克。从肌肉做功指标分析, 阿迪能量网球鞋可以更好地减少能耗, 可以认为有一定的能量回归功效, 但比较其它两款运动鞋而言, 这种差异并不显著。
3.2.2 下肢肌肉总做功的相关系数及检验
阿迪和耐克相关系数较高。结合平均值, 说明在肌肉做功上阿迪和耐克相近。因此阿迪达斯和耐克在减少能量消耗的功能上比鸿星尔克稍好, 但差异不显著。
3.2.3 下肢各通道肌肉做功
穿耐克网球鞋时通道1做功差异显著其它各通道做功差异不显著。说明下肢各通道肌肉做功差异不显著。
4 网球鞋设计的生物力学建议
4.1 提高鞋与足系统的整合性
鞋足系统的整合性对能量回归率有很大的影响, 在网球鞋能量回归设计时, 结合鞋楦和鞋底结构设计, 使鞋足系统达到高度整合, 提高运动鞋能量回归率。
4.2 能量存储释放周期与步态的一致性
网球鞋能量回归设计时, 把能量回归系统结构的能量存储与释放周期与不同运动项目的步频和步态周期相结合, 使得能量回归与步态协调一致, 实现真正意义上的能量回归。
4.3 减轻运动鞋自身重量
网球鞋能量回归设计时, 在不改变能量回归结构性能的前提条件下, 尽量使用轻质材料, 去除多余设计以减轻运动鞋质量。
4.4 鞋底设计建议 (如图1)
(1) 1和5硬度小, 耐磨, 减震性好。
(2) 2弹性好, 防滑移性能好。
(3) 3翻转控制性能好。
摘要：本研究运用PK-227A止滑试验机测试三种不同鞋底花纹设计的止滑性;并试图通过称取鞋底磨耗质量以判定三种网球鞋鞋底的耐磨性;运用Mega ME6000 8通道肌电仪, 分别对6名男性穿三种不同网球鞋时的下肢主要肌肉做功测量和分析, 试图通过实验研究并结合理论分析, 对网球鞋的能量回归实际功效给予评价, 并探讨网球鞋能量回归的影响因素, 从而为网球鞋的能量回归设计提供生物力学依据。
关键词：网球鞋鞋底,止滑性,能量回归,肌电
参考文献
[1]潘慧炬.力学原理与跑鞋创新设计[J].北京体育大学学报, 2001 (1) .
[2]单海涛.跑鞋能量特性的理论探讨[J].天津体育学院学报, 2002 (4) .
生物力学引领运动鞋科技热潮 篇2
运动鞋科技三大原理
科技发展的推进,为运动鞋的全面设计奠定了良好的技术基础,目前业内的科研新进展大致分为扭力系统、能量回输、空气垫减震原理。
扭力系统:最早是由阿迪达斯公司提出,用来解释行走或跑步时出现偏扭以及纠正措施的理论。该理论认为:在鞋底的前掌和后跟之间,可以安置“扭力槽”,从而把鞋底分为前后两部分。断开的低凹部分称为扭力槽,而纵向连接的条形物称为扭力条。由于扭力槽的存在,脚可以根据跑步着力点需要而自然扭动,而扭力条则可以有效地控制扭转角度,把扭力幅限制在一定范围之内。当脚在起跳离地时,扭力条随脚的摆动而弯曲,产生杠杆力,控制扭转角度,加大跑步动能,还可以补偿扭转可能造成的两种后果:一是当扭力产生而脚底不够硬的话,脚踝会“外倾”或“内倾”,失去对脚底保护;二是能量不能回归脚部而导致无谓的耗失,影响成绩。扭力系统应用于跑步鞋,可起到步姿纠偏、加大能量,及保护脚踝的三大功效。
能量回输:运动员在高速运动时,每当脚落地、鞋冲击地面时,鞋能通过变形来吸收能量。每当举步离地时,将所吸收的能量,部分回输腿部,从而加快跑步速度或增加跳跃高度。为了追求最大限度的能量回输,各运动鞋公司各自出招。如匡威公司使用的一种名叫“能量波”的超级中底材,比常规的材料轻10%,据称穿着配有这种中底的跑鞋,马拉松全程时间可缩短2-4分钟。
空气垫减震原理:此系统的倡导者为耐克公司,为了最大限度的减轻对足部的冲击,它实质上离不开减震原理,只不过借助于空气垫而已,表示出与众不同之态。空气垫是一种聚乙烯薄膜囊,内充空气,分别埋置于内底的前后掌着力点,可调高跑步速率的2.8%。同时,气垫还起着能量储藏的作用。
近年来,运动鞋外形的变化同样十分频繁。脚尖适度上翘,减小脚尖的触地面积,起到保护足尖的作用;足弓部位明显隆起,有助于纠正平足症状;跟部加厚,使运动时身体前倾,有助于减小踵腱受损。
运动鞋生物力学运用新动向
耐克
耐克一直在运动鞋防震科技方面居于领先地位,生产的篮球鞋举世闻名,并在台湾和大陆聘请诸多专家研究耐克的产品如何适合中国消费者的需求,以使耐克产品在中国市场的占有率逐年提升。
近期推出的高科技网球鞋被业内人士一致看好,这款耐克可以说集成了耐克公司最新的制鞋技术,其中包括了最新的Lunarlite鞋底缓振技术、AIR MAX气垫,XDR外底技术,包括了人字底纹,提升在球场的摩擦力和牵引力,而在鞋面上,集合了鞋面拉伸系统,新型鞋带及鞋舌系统。
锐步
田径跑鞋是锐步的主打品种,鞋轻而耐磨、弹性好。底部有数个椭圆突起,是一种蜂窝减震系统,利用蜂窝的六角形原理,使四周受力均匀,不怕碰撞。
2009年锐步还积极拓展女性健身市场,并且坚持将科技与时尚完美相结合的设计理念。最新推出的EASYTONE科技又为女性健身市场提供了突破性的贡献。穿着EASYTONE鞋款,无论何时何地,都能更有效的锻炼腿部肌肉,提高肌肉活力,感受非凡体验。EASYTONE科技的原理是在鞋款的前脚掌和脚跟部位采用了专有平衡气囊设计,为每一步行走创造了一种自然的不平衡状态,以此促使腿部肌肉作出相应的调整来适应这种不平衡。腿部肌肉自然而然地更加用力,犹如在健身房做平衡球运动。因此,无论是平时走路还是在健身房锻炼,穿着EASYTONE都可以燃烧更多的腿部脂肪,从而达到瘦腿美腿的目的。
根据权威调查显示,穿着EASYTONE鞋款可以提升臀大肌28%的运动活性,提升肌腱11%的运动活性,提升小腿肌肉11%的运动活性,并且它还提供了优于普通运动鞋三倍的柔软度。
彪马
彪马运动鞋采用更轻、更耐用的材料及科技创新立足于世,利用转盘系统和行星齿轮的可扭紧系统,以及侧边翼,自动将鞋面收紧,以配合没双脚的脚形和尺寸,使脚、鞋舒适紧密的贴在一起,令鞋足合一。
Complete Tenos作为puma跑鞋家族中支撑系的旗舰,其在最新的Complete Tenos VI中融入了更多专业的跑鞋专用科技。采用特殊天然竹纤维制成的内衬,具有消臭、散热与吸汗作用,记忆棉垫提供了穿着时的舒适性。作为跑鞋核心的中底部分更是有着全新的功能配置,由耐磨性的考虑到落地回馈的加强,从防止足部外翻的内侧加强材料到足弓的TPU稳定装置,最后更透过duo cell双层蜂巢气垫设计,让跑者活动时有充沛的避震效果。
美津浓
作为一款已连续出到12代的成熟跑鞋,WAVE RIDER 12在美津浓的跑鞋阵容里属于中等重量、中等缓冲的缓震型跑鞋,适合绝大多数的跑步爱好者,特别是那些脚内旋不足、马拉松成绩在4小时以上的跑步发烧友。
RIDER 12最引人注目的就是它后跟夸张的波浪片,这是MIZUNO的平行WAVE,它是跑鞋减震领域最有效的物理减震材料,极大地减少了跑步时的震动和压力,早在2006年,WAVE的双拱形波浪片中底技术的推出,就在科技缓震领域里引发了一场革命。RIDER 12的前掌和后掌分别使用了两种优秀的材料减震技术——AP和VS-1,从而让减震、反弹两不误。在鞋底的橡胶部分,RIDE 12使用了非常耐磨的X10橡胶。另外,鞋底前掌白色的波浪和红色的条纹,则是被称作WET TRACTION的防滑技术。美津浓的跑鞋几乎都有着稀疏而结实的鞋面(AIRMESH)以及立体式散热结构(MIZUNO INTERCOOL),RIDER 12也不例外,这使得穿着RIDER 12能时刻保持双脚的清爽。在看不见的地方,RIDER 12也不忽略。在前掌宽度、鞋底花纹的复杂度及后跟结构等方面,RIDER 12也根据男性和女性运动时的不同特点而截然不同,设计十分细致。
运动鞋业的蓬勃发展和科技的进步使越来越多的鞋企不得不在科技研发中下功夫,在继上世纪80年代耐克和阿迪达斯建立生物力学研发实验室后,中国运动鞋企业在近几年也出现了创建运动科学实验室的热潮,2006年安踏与RSscan签约,正式成立中国第一个运动鞋的运动科学实验室,系统地引进了大型生物力学测试设备;2007年鸿星尔克集团继安踏之后在福建也建立了运动鞋生物力学实验室,同年,国家皮革制鞋研究院与RSscan签约建立了运动鞋生物力学测试实验室;2008年李宁在北京基地建立了自己的运动科学研究中心,并公开展示了生物力学实验室系统;同年国家鞋类检测中心(晋江)也与比利时RSscan和RS Lab签约,筹划建立国际水平的标准运动鞋生物力学实验室,为福建广泛的运动鞋企业服务,同时还签署了部分基础功能性产品的研发项目协议。
生物力学功能 篇3
关键词：盆底肌功能紊乱,肛管动力学特征,生物反馈
盆底肌功能紊乱(pelvic muscle dysfunction,PMD)属于一种常见的盆底疾病,可直接导致直肠排空障碍[1,2],从而诱发慢性功能性便秘。该病具体致病机制尚未探清,但既往研究显示,其病理生理基础为肛门外括约肌和耻骨直肠肌收缩功能异常[3],而结直肠及肛门动力学改变可能参与其发病、发展过程[4]。由于诱使PMD发病的因素多样,且影响其发展的机制较复杂,造成当前临床针对该病诊断手段有限,仅以患者述说、直肠指诊和X线检测为主[5],导致难以对PMD病情进展做精准的定性、定量诊断。现如今,肛管直肠测压方法得到不断发展及改进,尤其与生物反馈治疗技术联合使用时,可显著提高其在肛肠外科疾病的应用效果及范围[6]。基于此,笔者选择肛管直肠测压方法诊断PMD患者,旨在分析PMD肛管动力学特征,并根据实验结果结合生物反馈治疗,观察其效果。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取新疆医科大学第一附属医院2014年2月~2015年7月收治的97例PMD患者作为试验组,另选健康对照人群30例作为对照组。试验组男44例,女53例,年龄33~69岁,平均(46.3±12.0)岁,功能性便秘病程1~13年,平均(5.2±3.8)年;对照组男14例,女16例,年龄29~69岁,平均(44.2±13.7)岁。两组性别、年龄比较,差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性。本研究取得研究对象的知情同意,并且签订知情同意书,同时通过医学伦理委员会的批准。
1.2 纳入标准[7]
①PMD诊断标准参考最新罗马Ⅱ诊断标准;②患者临床表现为功能性便秘;③患者经过肠镜、钡餐检查排除下消化道器质性病变;④获得研究对象的知情同意。
1.3 排除标准[8]
①下消化道器质性病变患者;②既往具有腹部手术病史的患者;③接受检查前服用胃肠动力药物的患者;④具有生物反馈治疗禁忌证的患者。
1.4 肛管动力学参数测定
两组受试者正常饮食直至检查,测前排空粪便。检查时,患者取左侧卧位,屈膝、髋。分别将计算机、测压导管及压力传感器相连接,液压灌注系统打开后设定每侧孔水的灌注速度为0.5 m L/min,再分别打开八通道内第1、2、4、8通道。将测压导管经石蜡油润滑由肛门缓慢插入,待导管刻度至10 cm处,停止使受试者静休3~5 min以适应导管。再用分段外拉法每次移动导管1 cm,分别测定导管深度9~10 cm和至肛缘的压力。将液压灌注测压通道插入肛门括约肌高压区内,从测压仪观看高压图形。外拉测压导管当第8通道先进入高压区后,获取第1个高压图形则为高压带,记录该测压导管在肛门的深度,并将其设为高压带起点,降低外拉速度直到肛缘处高压图形消失,再记录此时导管在肛门的深度,并将其设为高压带终点,这两值之差则为高压带的长度。继续插入导管直至第8通道达到直肠后段,第1、2、4通道处于肛管处,并将其他通道位于肛管内再固定,导管稳定3 min后则检测肛门直肠压力,先记录直肠静息压和肛管静息压,检测方式为测定受检者安静状态下4个通道压力,而8通道压力为直肠静息压,第1、2、4通道压力为肛管静息压,记录5 s/次,共记录3次,取3次记录的8通道压力平均值为直肠静息压,而1、2、4通道中的最大值为肛管静息压;再记录肛门括约肌最大缩窄压,检测方式为受检者先用力做紧缩肛门动作,持续10 s/次,每次间隔为30 s,重复3次,记录4个通道压力,最大值为肛门括约肌最大缩窄压;然后记录静息状态以及力排时肛管高压带长度。
1.5 生物反馈治疗方法
试验组:先向患者详细解释健康排便机制,并耐心讲解治疗方式、过程和目的。向患者讲解直肠测压过程中计算机上位机软件所显示直肠和肛门外括约肌活动情况,使其能够准确识别正常及异常直肠肛门的测压图形,并做自我训练。教会患者做好正确的排便活动,并不断做训练直至可在无计算机软件显示的辅助下正常排便。患者首周1 h/次,1次/d,第2周则2~4 h/周,1个疗程为10~15次。待患者病情好转且会正确排便,可结束门诊治疗,在家中继续治疗15~21 d。
对照组:患者分别于早、晚餐前30 min口服马来酸替加色罗片(重庆药友制药有限责任公司,国药准字H20041667),30 mg/次,治疗4周,若患者发生腹泻或便秘,则使用缓泻剂或止泻剂适度缓解。
1.6 疗效评价标准
显效:治疗后患者的大便次数、形状均恢复正常或其中之一恢复正常;有效:治疗后患者的大便次数、形状虽然未恢复正常,但是有所改善;无效:患者的大便次数、形状均无改善。
1.7 观察指标
比较两组及试验组治疗前后的肛管动力学指标(肛管静息压、直肠静息压、最大缩窄压、静息状态下肛管高压带长度、力排时肛管高压带长度、力排时肛管剩余压);比较试验组治疗前后的排便情况(腹痛腹胀、排便困难、排便不尽感、每周排便次数)。
1.8 统计学方法
采用SAS 9.1统计软件对数据进行分析和处理,计量资料以均数±标准差(±s)表示,采用t检验,计数资料采用χ2检验,以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 两组肛管动力学指标比较
试验组的肛管静息压、最大缩窄压均显著低于对照组(P<0.01),静息状态下肛管高压带长度、力排时肛管高压带长度均显著长于对照组(P<0.01),力排时肛管剩余压显著高于对照组(P<0.01)。见表1。
2.2 试验组治疗前后肛管动力学指标比较
治疗后,试验组的肛管静息压、最大缩窄压均显著高于治疗前(P<0.01),静息状态下肛管高压带长度、力排时肛管高压带长度均显著短于治疗前(P<0.01),力排时肛管剩余压显著低于治疗前(P<0.01)。见表2。
注:1 mm Hg=0.133 k Pa
注:1 mm Hg=0.133 k Pa
2.3 试验组治疗前后排便情况比较
治疗后,试验组的腹痛腹胀、排便困难、排便不尽感发生率显著低于治疗前(P<0.01),每周排便次数显著多于治疗前(P<0.01)。见表3。
2.4 试验组临床效果
治疗后,试验组显效34例(35.05%)、有效37例(38.14%)、无效26例(26.80%),其中4例患者半年后出现复发。
3 讨论
便秘作为一种消化系统常见症,具有较高的发病率,并严重干扰患者的正常生活。文献报道称,部分合并严重心脏及心脑血管疾病患者甚至可能因便秘而出现生命意外[9],而便秘也可致患者出现痔病及肛裂等肛肠疾病,此外,长期便秘则是导致大肠癌一个主要诱因。因此,便秘治疗已经成为当前医学研究的热点之一。便秘发病机制较复杂,致病因素多样,而精神因素、肠道紧张性下降、结肠运动功能失调、药物影响、食物缺乏纤维素和PMD均可诱发该病[10,11,12,13]。
在本研究中,笔者通过诊断发现所选病例均为功能性便秘,其与盆底括约肌功能失调及直肠排便反射功能异常具有相关性。研究显示,功能性便秘主要症状表现为排便困难或不尽,可致患者出现耻骨直肠肌功能障碍、直肠膨出及内脱垂和盆底肌痉挛及盆底下凸[14,15,16,17],导致排便时间延长和排便反射降低。PMD亦是诱发功能性便秘的主要诱因之一,其病理生理基础为盆底横纹肌因神经支配或反射异常,主要临床症状表现为排便时盆底肌肉不松弛或反常收缩,导致盆底出口堵塞,患者难以排便。因此,笔者认为可通过分析PMD病理基础,来制订更加合理的治疗方式。
参阅文献可知,肛门直肠测压可有效评估盆底横纹肌功能,能够准确测定盆底内直肠肛门于不同状态下肌肉群的收缩情况、神经感觉活性及顺应性[18],并可根据测定值全面掌握直肠肛门抑制反射和排便协调性等情况,从而为下一步的诊断和治疗提供参考。在本研究中,笔者分别测定患者肛管静息压、最大缩窄压、肛管高压带长度、力排时肛管高压带长度和力排时肛管剩余压。这是因为肛管静息压可准确反映肛门内括约肌功能[19];最大缩窄压则反映肛门外括约肌功能和诱导括约松弛神经调节功能;此外,肛管高压带长度和力排时肛管高压带长度在既往研究已经证实与便秘发生具有相关性[20];力排时肛管剩余压则代表结肠肌传输功能。本研究显示,试验组患者肛管静息压、最大缩窄压均显著低于对照组(P<0.01),与相关研究结果一致[21],这表示患者便秘可能与大部分肛管括约肌松弛相关,其静息状态下肛管高压带长度、力排时肛管高压带长度均显著长于对照组,力排时肛管剩余压显著高于对照组(P<0.01),表明试验组患者结肠慢传输和高压带不能有效缩短。基于此,笔者认为,PMD患者的肛管动力学特征主要表现为排便时肛管括约肌松弛及反向矛盾运动。
生物反馈治疗通过借助专业仪器获取并记录机体器官和组织的生理活动信息,将这部分信息以图像形式让患者清楚感知,再通过促使大脑皮质及下丘脑释放的神经体液发生变化,从而使生理反应得到调整,并产生生物反馈信号[22,23,24]。本研究中,笔者针对PMD患者肛管动力学特征,采取生物反馈疗法改善其盆底肌功能,结果显示,患者治疗后的腹痛腹胀、排便困难、排便不尽感发生率显著低于治疗前(P<0.01),每周排便次数显著多于治疗前(P<0.01),这表明生物反馈治疗PMD诱发的功能性便秘效果较佳,这是因为该疗法使患者在图像显示引导下,对排便时肛门外括约肌收缩做自我收缩,可显著消除肛门内外括约肌矛盾运动,而腹部反馈技术则可增强腹、膈肌功能,增强腹部力量排便的控制力,使治疗后患者效果明显,与相关研究一致[25]。此外,既往研究均未对PMD远期预后进行分析,笔者通过对出院后患者随访发现,仅有4例复发,可见生物反馈治疗效果具有长期性,在其治疗条件下的患者远期预后优秀。
骨盆环损伤的生物力学研究 篇4
1 材料与方法
1.1 一般材料
选取实验室用一年内尸体标准6具, 其中男4具, 女2具;死亡年龄35~54岁, 平均 (42.5±8.3) 岁。所用标本经X线摄片均未有骨质疏松等骨骼相关疾病。取标本包括腰四及股骨近端三分之一之间的完整骨盆模型, 除去皮肤、肌肉、结缔组织, 只保留髋关节囊、骨间韧带、耻骨联合及骨盆后方诸韧带。
1.2 方法
1.2.1 单纯垂直作用力
将制作好的模具放入夹具内, 模拟人体正常站立。以应变花布置测试点, 如图1所示, 选取20个观察点 (骶髂关节两侧) 。将模具置于力学实验机上, 以10 N/S的垂直作用力作用于模具上, 应用应变仪分别记录模具在耻骨联合正常、耻骨联合分离1 cm、2 cm、2.5 cm时模具承受依次100 N/S、200 N/S、300 N/S、400 N/S、500 N/S作用力时的应变值。每个模具实验过程重复三次取平均值。
1.2.2 垂直作用力结合扭转作用力
在对模具施以垂直作用力同时, 向模具逆时针方向加以10~80 N/S的力, 同时采集相应的应变值。
1.3 统计学处理
应用SPSS 16.0统计软件进行数据分析, 正态分布的各统计指标均以均数±标准差 (±s) 表示, 不同耻骨联合分离数据作用于同一位点产生的数值比较应用t检验, P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 单纯垂直作用
(1) 耻骨联合未分离:点1~3、6、7、9、10、13、14、17~19处随垂直作用力加大时应变值变化逐步增大 (P<0.05) 。其余各点应变值稍有变化, 但是差异无统计学意义 (P>0.05) 。 (2) 耻骨联合分离从1 cm逐步增大至2 cm时, 点1~5、8~10、12、15~19处应变值也随之增大 (P<0.05) , 而点6、7处应变值则随之减小 (P<0.05) 。其余各点差异无统计学意义 (P>0.05) 。 (3) 耻骨联合分离从2cm增大到2.5cm时, 点6~8、13、14应变值变小 (P<0.05) , 点11先增大后减小 (P<0.05) , 其余各点差异无统计学意义 (P>0.05) 。
2.2 垂直作用结合扭转作用
随着扭转力增大, 点1~3、13、14压应变值差异无统计学意义 (P>0.05) , 拉应变值逐步增大 (P<0.05) 。点4~7压应变值逐步增大, 而拉应变值逐步减小 (P<0.05) 。
2.3 前后环损坏与固定
耻骨联合分离后, 导致模具前环不稳;而破坏骶髂关节、关节囊、切断韧带, 模具后环不稳。应用钢板固定耻骨联合可稳定前环 (P<0.05) , 对后环影响不确 (P>0.05) 。
3 讨论
在所有骨盆环损伤患者中, 高处坠落伤占绝大部分, 患者在下肢着地骨盆环不仅仅承受来自垂直作用的作用力, 往往带有旋力[3,4]。故本研究除了选择垂直作用的外力外, 还加有逆时针扭转作用力。在垂直作用力较小时, 由于骨盆的结构复杂性及牢固性, 可以将垂直作用力均匀分散, 故本研究在耻骨联合未分离时, 除了个别观察点, 几乎所有观察点应变值随着作用力的增加而增大, 且主要体现在骨盆后环处 (1~3、6、7、9、10、13、14) 。前人研究骨盆后环承受大概60%的作用力[3], 本实验结果与其吻合。耻骨联合分离即“开书型分离”, 主要是由于强烈的外旋暴力, 所造成的危害是破坏了骨盆的正常结构, 故易行成各类并发症, 本研究分离耻骨联合后发现, 点1~5、8~10、12、15~19处应变值也随之增大, 而点6、7处应变值则随之减小, 说明分离后由于增大了骨盆环面积导致骶棘韧带紧张, 进而骶髂关节缝隙增大[5,6,7,8,9,10,11,12]。而随着耻骨联合分离到2.5 cm, 骶髂关节缝隙进一步增大, 当韧带断裂时, 两侧受力开始减小。故盆腔前环损伤可以引起骶髂关节功能障碍。而垂直结合外旋作用时, 骶髂关节髂骨侧 (点4~7) 受压力逐渐增大, 骶骨侧收拉力减小, 易发生挫裂。
本研究显示, 随着扭转力增大, 点1~3、13、14压应变值差异无统计学意义 (P>0.05) , 拉应变值逐步增大 (P<0.05) 。点4~7压应变值逐步增大, 而拉应变值逐步减小 (P<0.05) 。耻骨联合分离后, 导致模具前环不稳;而破坏骶髂关节、关节囊、切断韧带, 模具后环不稳。应用钢板固定耻骨联合可稳定前环 (P<0.05) , 对后环影响不确 (P>0.05) 。提示随着作用力加大, 相关观察点应变值随即变化。
以往对骨盆骨折的治疗往往采取保守治疗或者仅仅内固定耻骨联合, 本研究发现耻骨联合固定后仅仅对前环稳定性增强, 并不影响后环, 因此建议对于复杂骨盆骨折患者应采取前后环协同固定, 以加强骨盆的稳定性, 最大程度减少骨折后并发症。
综上所述, 本研究通过对骨盆受力研究, 加强了对骨盆损伤的认识, 对未来应用微创治疗骨盆骨折提供了理论基础。
摘要：目的:探讨骨盆环应力走向, 为骨盆环损伤提供更可靠、合理的治疗方法。方法:选取6尸体标本第四腰椎及近端股骨在内的完整骨盆, 人为应用垂直作用力及旋转作用力作用于骨盆, 观察并记录各标记点应变值。结果:随着作用力加大, 相关观察点应变值随即变化。结论:骶股弓是骨盆传导垂直负荷的主要途径, 耻骨联合分离及外旋力作用易导致骶髂关节损坏。
我国运动生物力学研究进展 篇5
运动生物力学以研究体育运动中人体运动力学规律为主要任务,是体育科学学科体系中具有极高科技含量的一门学科.一方面,运动生物力学以其多学科的应用性研究成果可直接用于指导体育运动实践;另一方面,体育运动尤其是竞技体育的快速发展需要运动生物力学不断创造新的研究方法和测量技术.因此,运动生物力学的长足进展主要得益于学科交叉的人才优势和不断增长的体育运动实践需要[1].
早在公元前,人体运动中的力学问题就引起了许多自然科学家和哲学家的兴趣.20世纪中叶,由于医学、解剖学和体育学的发展,许多运动中的力学问题亟待解决,而电子学、精密仪器等学科的发展为这些问题的解决创造了前提.另外,力学、物理学这些古老学科在寻找应用新领域中,发现运用力学方法研究人体运动有相当广阔的前景.这些因素的结合使运动生物力学这门边缘学科应运而生,并得以发展.1967年于苏黎世召开了第一届国际生物力学学术会议,1973年成立了国际生物力学学会(简称ISB).1972年,在美国宾夕法尼亚大学召开的第4届国际生物力学大会上,运动生物力学(Sport Biomechanics)从生物力学中独立出来,成立了国际运动生物力学学会(简称ISBS).1982年6月20日,在美国加利福尼亚召开了第一次国际运动生物力学会议.此后,国际运动生物力学的研究工作蓬勃开展,取得了不少有应用价值的成果.我国于1980年成立了下属中国体育科学学会的运动生物力学分会,并于2005年在北京成功地举办了第23届国际运动生物力学学术会议.
1 研究现状
运动生物力学首先是力学,其次是生物,最后是运动.既然运动生物力学是力学,就应将力学的科学研究方法和手段应用到生物体上去,以准确地描述生物体运动的力学特点.只有采用力学的方法和手段,运动生物力学才能作为一门科学来发展.只有采用力学的方法和手段,运动生物力学研究人员才能进行有价值的科学研究.
运动生物力学研究以力学参数的测量为基础,这些参数应能表现人体运动的力学本质.物理学测量技术作为生物力学方法学基础,按测量原理可分为力学、电学、光学和热力学测量技术;按测量属性可分为运动学、动力学、人体惯性参数和肌电参数测量技术.
随着电子技术尤其是计算机技术的迅速发展,已经并将不断对运动生物力学测量技术提出新的要求.目前,图数分析方法在国外已获得新的进展,其主要技术标志是人体关节点的自动识别功能和录像分析系统与测力台的同步测试.较具代表性的是近几年发展起来的三维录像测量系统,其测量仪器和分析方法就是为了满足研究体育运动中人体复杂空间运动而建立起来的.
任何分析方法都基于一定的理论,伯恩斯坦(Nicholas Bernstein)主张用神经控制论的理论研究人体运动,创立了人体动作的系统结构分析方法,伯恩斯坦关于人体动作系和运动行为结构的思想原则,以及运动感觉反馈修正的理论已成为运动控制和运动协调研究的理论基础.阿玛尔和艾夫特曼主张从人与环境间的相互关系研究运动效率,并基于此,建立了人体能量学研究方法,并被后人衍生出肌力优化方法和能量优化方法等.
此外,依据一些数学原理、物理法则或实践证明了的运动生物力学原理都可以建立特殊问题的分析数学方法,如以无限小、连续性和决定性的分析为主的牛顿分析数学方法和对时域或空域大样本观测值进行分析的数理统计法.建立在多刚体系力学理论框架下的人体腾空运动描述方法和对复杂运动过程采用的层次因素分析方法等等.如图1是洪嘉振等[2]用多刚体系统研究朱建华的过杆动作.
值得注意的是从1982年起,一种模拟人脑工作的信息处理技术——神经网络研究受到全球科学家的重视.应用神经网络技术研究人体运动力学行为,在参数分析尤其是综合决策上具有其它方法不可比拟的优势.在我国,早先有吴忠贯,近年有严波涛、吴延禧已在这方面做出了富有意义的研究工作[1].
2 运动生物力学在我国的实际应用
我国运动生物力学的研究,特别是在应用上,具有自己的特色,大致可归结为如下几个方面[3].
第1方面:竞技体育运动动作的技术分析研究是我国的强项.在此方面,我们的研究覆盖面宽、数量多、紧密联系运动实际,在竞技体育领域的应用成果较为显著[4],为我国在国际体育大赛中取得优异成绩起到了积极的辅助作用.
第2方面:通常应用实验测试与理论分析结合的方法(以实验测试为主)对高水平的运动员进行精细的技术诊断,为提高其训练水平和运动成绩提供了必要的科学基础.
第3方面:自行研制许多针对各个竞技专项技术的专用测试仪器和评价系统,其设定的各项指标对该项目能起技术诊断作用,为运动员有针对性的科学训练提供了有效的科技保障.
我国在这些方面的研究数量上领先于其他国家,在研究成果上也有许多独特的创新,特别表现在注重实际应用上,为我国竞技体育的发展作出了贡献.
2.1 乒乓球项目的应用研究
2.1.1 直板反面进攻技术的可行性研究[5,6]
面对高旋转速度的欧洲弧圈球打法,中国运动员原有的直板反手推挡在对付弧圈球上,由于手臂功能受到握板方法的限制,已显示出许多不足.为解决这一难题,准备奥运会和重大国际比赛,中国乒乓球队设计了用直板反面击球进攻技术,即今天所看到的“直板横打”的方法,增加直板反手击球的进攻力.其可行性如何,需要运动生物力学的科学研究和证明.研究人员采用立体定点定机摄影方法获得了运动员和球拍的三维坐标数据,并运用生物力学模型比较了直板正手正面和反面两种击球动作.研究结果表明,直板反面击球,可使腕关节有足够的动作幅度,可使上肢对球的鞭打动作更加充分,可使球板倾角较小而盖住球体避免“吃转”,可使台内击球动作更加细腻准确,有较强的应变能力.从教练员的经验判断上,直板反面击球出手快,照顾范围广,能攻能防,可打可拉.由于球板倾角较小,能有效地回击弧圈球.因此,直板反面击球的技术是可行的.这一研究结果为教练员制定训练计划和比赛战术提供了科学依据.随后,直板反面进攻技术正式成为中国直板乒乓球选手的一个独特技术,为中国运动员在奥运会和重大国际比赛上夺取冠军作出了贡献.
2.1.2 不同直径和重量的乒乓球对击球速度的影响[5,6]
乒乓球运动发展至今天,由于击球速度过快,旋转过强,比赛的难度越来越大,比赛中每分球的回合次数明显减少,普通人对运动员变化莫测的击球难以理解,逐渐失去了对乒乓球运动的兴趣,从而导致近年来观看乒乓球比赛的观众不多,电视及其它传播媒介对乒乓球比赛的转播或介绍兴趣较低.由此,国际乒乓球领域的许多有识之士已经清醒地意识到,失去观众这个“上帝”,就会失去这项运动的观赏价值,因此,乒乓球运动必须改革.在这种情况下,国际乒乓球联合会提出建议,增加乒乓球的直径,由原来的38 mm改为40mm,以减小击球的旋转强度和运行速度,增加比赛中的击球次数,使乒乓球比赛具有更强的观赏性,吸引更多的人来关心乒乓球项目,保证其健康地向前发展.这一改革对乒乓球技术、战术、打法和规则等都会产生巨大的影响.因此,必须有足够的证据证明其科学性和可行性,方可实施.据此,国际乒乓球联合会委托中国,就不同直径和重量的乒乓球受击球旋转和速度的影响进行定量的实验研究,为国际乒乓球联合会的改革提供科学依据.该研究由我国的国家体育总局体育科学研究所承担.该研究的实验对象为3名优秀乒乓球运动员,所采用的测试方法为乒乓球动态测转方法和平面定点定机摄像方法.
乒乓球动态测转方法:采用PD-1乒乓球动态测转仪(光学成像、高速扫描、空间滤波)测量运动员击打不同直径和不同重量的乒乓球后的旋转速度.该仪器的视场面积为0.75 m×1.05 m,测量范围为20～200rad/s,不确定度<±3%,短期稳定度<2%.
平面定点定机摄像方法:采用PEAK运动分析系统,拍摄和分析运动员击打不同直径和不同重量的乒乓球后,球在空中运行的状态.拍摄频率为120 fps/s,拍摄位置为击球运动员的正侧面.
这一研究的核心结果是,运动员在分别击打相同重量的直径为38 mm和40 mm乒乓球时,40 mm乒乓球与38mm乒乓球相比较,扣杀速度平均降低了13%,旋转速度平均减少了21%.这一研究结果表明,40 mm乒乓球更有利于增加比赛中运动员击球的回合数,使比赛更加精彩.
该研究为国际乒乓球联合会于2000年10月1日起,将直径38 mm的乒乓球改为直径40mm的乒乓球,提供了科学依据.同时,我国乒乓球教练员和运动员根据这项研究结果,探讨相应的技术和战术,科学地准备奥运会和重大国际比赛,取得了优异的成绩.
2.2 男子跨栏项目的应用研究
近几年来,中国男子跨栏项目拥有了刘翔(雅典奥运会男子110m跨栏冠军)、史冬鹏等优秀运动员.其中,刘翔在训练和比赛中所表现出的潜力,给中国田径队带来了希望.为使刘翔在2004年奥运会上取得佳绩,中国田径协会于2002年成立了男子跨栏项目研究与服务组[7].该组的主要任务是,根据教练员在准备2004年奥运会的训练和比赛中所提出的问题,进行相应的研究与服务.该组研究与服务的一个重点是,对刘翔等人的技术训练进行诊断与服务.国家体育总局体育科学研究所承担了此项工作,并从2002年起采用运动生物力学的方法,长期配合教练员进行专项技术诊断和技术服务.
需要指出的是,在进行此项工作中,教练员和运动员所需要的研究结果和服务形式是快速、直观、真实、易于比较,而不是难以理解的数学模型和复杂的定量数据.据此,所进行专项技术诊断和技术服务以定性分析为主、定量分析为辅.
该研究与服务所采用的主要方法为影像测量与分析和图像处理技术.图像采集设备主要为常规数码摄像机(如SONY,JVC),拍摄频率一般为25幅/s(分幅为50场/s).所采用的运动分析系统为“爱捷运动技术分析系统”、“SIMI-运动分析系统”和“DARTFISH.运动分析系统”.
这一研究与服务在“跨栏全程时间结构的研究与监测”、“栏间跑节奏的模拟与强化”、“运动技术图像处理与反馈”等方面为教练员和运动员提供了满意的结果.
栏间跑节奏是影响运动成绩的一个重要因素,也是教练员较为重视的指标之一.为此,课题组除了在向运动员和教练员及时反馈训练图像和栏间跑时间的数据外,为了强化刘翔对最短栏周期节奏的长时记忆,将刘翔训练和比赛最高水平的最短栏周期编辑成10个连续栏周期后,常速连续播放视频文件.同时,将刘翔栏间跑的节奏制作成音频同步叠加到视频文件上,反复播放,对刘翔进行多信息的表象训练.
运动图像处理后的反馈是教练员和刘翔提出的需求,也是他们直观和有效了解技术状况、改进技术训练的一个方法.为此,课题组长期、系统、快速地提供双画面、三画面或四画面的视频录像比较输出、视频画面叠加、视频暂留、连续或单个技术动作图等.这项工作取得较好的反馈效果,受到教练员和刘翔的称赞.
2.3 其他研究
目前,我国运动生物力学的主要研究成果集中在竞技体育的应用上,其他方面较国际先进水平有一定的差距,但也有一些亮点,在此仅做分类简述.
2.3.1 理论研究
上海交通大学[2]和清华大学先后在人体运动模拟(仿真)领域进行了有价值的理论和实际应用研究,为精细分析和设计高难技术动作奠定了理论基础.
清华大学[8]和白求恩医科大学所做的中国人体惯性参数研究,结束了用国外参数分析中国人运动动作的历史,填补了我国这方面研究的空白.
西安体育学院和国家体育总局体育科学研究所[4]采用神经网络技术构筑运动技术分析和诊断的专家决策系统,属于国际前沿研究内容.
2.3.2 大众体育研究
香港中文大学对太极拳促进人体平衡功能的研究,是一项现代科技与传统民族体育结合的新型课题,已得出了许多有意义的结果.
近两年,宁波大学对足底压力和运动鞋的测试研究已形成自己的特色[9].其中,有简易实用的高跟鞋影响稳定性的研究,也有较深层次的足后部骨骼三维有限元模拟研究.
解放军和上海体育科学研究所合作的投弹肱骨骨折机理的研究,是一项临床医学结合运动生物力学的应用研究[10],已获得2006年度全军总后科技进步二等奖.
3 运动生物力学发展趋势
20世纪80年代初我国运动生物力学研究相当活跃,吸引了高等院、校、所相关学科和人体运动科学专门研究机构的合作,多学科交叉的人才优势促进了我国运动生物力学学科的快速发展,迅速缩短了与世界科技发达国家和竞技体育强国之间的差距.但这种多学科的合作研究未能获得持续的发展,以至我们仅在某几个研究方向获得了一些进展.其中主要体现在运动技术诊断和评价上,而这种技术进步主要依赖于计算机技术的进步和外域技术的引进.展望国际运动生物力学发展前景,我们仍应发挥多学科合作的优势,并可望在下列领域获得进展.
3.1 人体运动模型研究及计算机模拟与仿真
计算机是运动生物力学发展的核心,运动生物力学的理论研究偏重于计算方法的准确和简炼以及理论研究的系统性和完整性.借助电子计算机实现快速精确地测量和实时处理人体运动的各种力学参数,实现综合分析和联机分析,以及实现自动化控制是科技发展的必然趋势.由于许多实验不能直接在人体上进行,同时为了对运动效果进行预测,在运动生物力学研究中,已经出现了种种模型.随着电子计算机的普及,模型技术中的计算量大、复杂和费时的困难已逐步得到解决,因此,建立各种模型进行模拟试验是运动生物力学研究方法的又一发展趋势.中国成年人体质的新国家标准已于1998年正式颁布,从此我国取得了我们自己的中国正常人体参数的科学依据,结束了多年来借用外国人体参数的历史,填补了一项重要的空白.
对人体运动的模拟研究是根据不同的人体运动建立各种人体模型,然后用数学语言完整地描述运动目的、运动方式和运动行为的控制,并结合实验测量建立人体运动方程和相应的边界条件,通过计算机对此复杂方程求解,解得的结果对人体运动作出理论的量化解释.这是一个颇有创造性的研究领域.
在建立人体运动模型的基础上,对运动过程进行模拟与仿真是目前处于前沿的人体运动研究方法,至今仍属运动生物力学正在探索的难点,是一个极富挑战性且极具理论和实践意义的尖端研究课题.上海交通大学洪嘉振等[2]在20世纪80年代就曾对朱建华跳高过杆技术进行过仿真研究.国家体育总局科研所郝卫亚等[11]研究并实现了一个适合于跳水运动的三维人体运动仿真与显示平台——数字化三维跳水专项运动仿真系统.通过该系统,可以对跳水运动员的空中动作技术和连接方式进行精细的生物力学研究,可以利用三维动画对运动员的动作技术进行模拟(仿真),从而指导运动员的技术训练.
3.2 体育工程学研究
运动生物力学的研究将更加重视对训练实践的指导,研究成果要能为竞技体育服务.运动测试仪器的专项化是这一发展方向的具体体现,也是运动生物力学解决体育训练问题的较为客观和有效的方法.运动生物力学的技术分析和研究会因研究仪器的发展而得到相应提高,使研究更加细致、更接近运动实际.运动生物力学在很大程度上将依赖于高新技术和高新材料的创新和发展,新的材料和新的技术将使运动生物力学研究的手段和仪器功能得到大幅度提高,因此,适时运用高新技术和高新材料来研制生物力学的测试仪器是运动生物力学研究的一个重要课题.
目前,我国实施全民健身计划,这将促使运动生物力学的研究视线投入到为全民健身服务的行列中来.体育工程学在这一方面的研究内容主要有:各种力学负荷对人体运动功能的影响,如场地、器械、鞋和服装;人体运动素质和运动能力的检测设备和发展运动能力的训练设备等.近些年来,关于健身器械包括鞋、服装等生活用品方面的生物力学研究已引起广泛重视,这将是一个很有吸引力且极富商业价值的领域.
3.3 肌肉力学研究
研究肌肉可以基于不同的角度,根据其收缩时长度变化和张力特点,可以区别出等长和变长、等张和变张状态以及见之于功能的向心和离心状态,根据其收缩成分力学性状变化的受激时间特征可区分出激活态和潜伏态;根据肌肉张力与长度变化的关系,肌肉张力与长度变化速度的关系,研究全约束条件下肌肉收缩的力学机理.还可以研究肌群协作与对抗的关系,工作张力与支撑张力的关系,肌肉收缩张力的传递方式和传递路径.也可以基于肌肉收缩成分和弹性成分建立肌肉结构的多元素模型,并通过实验建立肌肉收缩的本构方程.此外,对离体或在体肌肉的观察、试验和测量,其实验条件的控制相对困难,这也是肌肉力学研究的困难.然而,肌肉力学研究应当是生物力学极其重要的基础研究,上海体育学院陆爱云等已在该领域有了较为丰富的研究积累.
3.4 技术分析专家系统的研究
近十几年,许多运动技术分析专家致力于开发决策专家系统,但少有成功个例,其原因是专家系统中两个不可或缺的内容,即知识库(以某种方法把专门知识储存起来的数据库)和推论机器(利用知识库的数据进行科学推论的机器)的不完善性.随着神经网络技术的出现,采用人工神经网络技术构筑的运动技术分析的专家系统有着广阔的前景,这种技术在根本上实现了对人脑功能的模拟,将成为运动技术分析研究的发展方向.国家体育总局科研所和西安体育学院严波涛等已率先涉足该领域的研究.
3.5 人体运动损伤与康复的生物力学研究
近年来,运动生物力学与运动医学结合的论文数量急剧增加,论文质量也相应提高.在国外,运动生物力学研究应用于人类健康、健身运动是近年的主流,在德国,基于健康的预防康复生物力学已是运动生物力学的主要研究课题.在我国,运动损伤及康复的研究也愈加深入,而且与运动专项结合更加紧密.对预防运动损伤的研究也将是一个热门课题.
今后,应广泛结合运动生物力学和生物学、运动解剖学、运动生理学、运动医学等学科中的研究方法,共同解决人体运动中的有关问题.多种方法结合的研究,特别是多种方法的同步研究和借助其他学科领域的研究方法的多学科综合研究应是运动生物力学研究今后发展的趋势.
摘要：运动生物力学是应用力学概念、原理与方法对人体运动规律进行研究的科学．运动生物力学的发展对人们深刻理解人体运动规律，提高竞技体育的运动成绩，预防运动损伤，设计合理有效的康复手段等都具有积极的促进作用．本文简要介绍了运动生物力学的历史和研究现状，结合研究实例介绍了运动生物力学在我国的应用，以及运动生物力学的发展趋势．
生物力学功能 篇6
关键词：扒地,相对速度,前蹬阻力
0 引言
短跑运动, 是最古老的体育运动及竞技项目之一, 亦是衡量一个国家体育水平的重要指标。被誉为一切体育运动项目基础的短跑, 对其动作技术的研究在我国具有较实际的研究价值。在平时的教学与训练中要注重短跑动作技术的教学, 纠正错误的动作技术, 促成正确的技术, 以便更好、更快的提高运动员的运动成绩。理想的“扒地”动作技术可使运动员跑动时既加大了步幅又加快步频。因此, 我们应该对“扒地式”短跑的动作及技术原理进行一些有益的探讨和研究。
1 研究方法
1.1 文献资料法:
查阅有关文件, 研究论文。
1.2 生物力学分析法:
从运动学、动力学和转动力学对扒地式跑进行生物力学分析
2 为什么短跑要强调“扒地式”动作技术
跑的着地支撑可分为前蹬、垂直支撑和后蹬3个阶段, 如图1所示。前蹬过程, 脚的支撑点在身体质心投影点前方, 地面对人的作用力起减速作用。若步幅大, 前蹬阻力就可能大, 必然影响人体跑动的连贯性, 且要消耗更多的能量, 不能取得应取的成绩。有研究资料前支撑表明, 若着地缓冲时, 脚尖落在身体质心投影点前7cm, 就会产生“杀车”现象。若步幅过大, 三步并两步跑, “杀车”现象就严重, 要消耗更多的能量, 易疲劳, 所以跑的不快。后蹬过程, 脚的支撑点在身体质心投影点后方, 地面对人的作用力起加速作用。地面对人的作用力是人体向前跑动的主动力。
跑的速度大小等于步长与步频的乘积。通常到了青年时期步频增长几乎到了顶点, 速度的提高主要靠步长的加大, 也就是说短跑成绩的提高主要靠步长的加大。步频太快有2个毛病:1) 腿拉不开, 即腿还未抬到一定高度就得开始下压前蹬, 影响步幅的加大;2) 步频快, 肌肉收缩的频率快, 肌肉容易疲劳。所以如何实现加大步幅的同时又能减少前蹬阻力是短跑训练的重要课题。
在短跑过程中, 运动员在脚着地前蹬时主动伸髋伸小腿, 并压大腿带动小腿和脚的扒地动作, 可减少前蹬阻力, 加大跑动步幅的同时, 使动作连贯, 且消耗较少能量。
3 短跑“扒地”动作技术的力学分析
理想的“扒地”动作要求运动员下肢各关节及使各关节运动的肌群具有好的协调放松能力, 在小腿自然而积极的后摆时, 要压大腿伸小腿, 大腿带动小腿和脚扒地, 这是取得成功G的一个重要因素。理想的“扒地”技术体现在腾空时, 运动员主动N压大腿伸小腿, 大F腿带动小f腿和脚扒的动作。理想的“F扒地”技术的优越性主要体现在支撑时, 能有效地减小前蹬制动阻力并缩短支撑时间, 以加大步幅的同时加f快步频, 使跑动动作快速连贯。若过于追求“扒地”, 即小腿后摆过快, 虽可减小前蹬制动阻力, 但脚会过F早着地, 加快了步频却缩短V了步长;若小腿过于前甩, 虽可增加腾空时间增大步幅, 但脚前蹬着地时会加大前蹬制动阻力, 加加大了步幅却减少了步频。理想的“扒地”动作技术体现在落地时加大了步幅的同时加快步频的运动效果。因此, 运动员应加强腾空时主动压大腿伸小腿, 大腿带动小腿和积极脚扒的动作训练。
4结论
1) 理想的“扒地”动作要求运动员下肢各关节及使各关节运动的肌群具有好的协调放松能力, 在小腿自然而积极的后摆时, 要积极下压大腿伸小腿, 大腿带动小腿和脚扒地, 这是取得成功的一个重要因素。理想的“扒地”技术体现在腾空时, 运动员主动压大腿伸小腿, 大腿带动小腿和脚扒的动作。理想的“扒地”技术的优越性主要体现在支撑时, 能有效地减小前蹬制动阻力并缩短支撑时间, 在加大步幅的同时加快步频, 使跑动动作快速连贯。若过于追求“扒地”, 即小腿后摆过快, 虽可减小前蹬制动阻力, 但脚会过早着地, 加快了步频却缩短了步长;若小腿过于前甩, 虽可增加腾空时间增大步幅, 但脚前蹬着地时会加大前蹬制动阻力, 加大了步幅却减少了步频。理想的“扒地”动作技术体现在落地时加大了步幅的同时加快步频的运动效果。因此, 运动员应加强腾空时主动压大腿伸小腿, 大腿带动小腿和积极脚扒的动作训练。只有有机的结合好步频与步幅的关系才能充分的提高运动员的训练水平在比赛中取得优异的成绩从而获得成功, 达到奋斗的目标。
2) 错误的技术动作是不可取的, 而且是万万不敢要的它不仅影响运动员训练成绩的提高, 而且还大大提高了运动损伤发生的机率。因此, 在教学与训练中应特别注重促成正确技术的掌握, 特别是在教学与训练的初期。
3) 扒地式技术的专门练习, 在训练中不能与跑的技术脱节, 否则达不到预期的目标。任何运动技术教学都要符合动作的合理性和动作的经济性。扒地式技术完全符合以上的两点要求。
参考文献
[1]李建设.短跑“扒地式”落地技术的力学分析[J].浙江体育科学, 1985 (4) :33-34.
[2]冯国伟.跨栏跑起跨腿技术训练初探—重视起跨腿下压扒地技术的训练[J].田径, 2004 (6) :20-21.
我国运动生物力学研究现状与分析 篇7
1运动生物力学发展历程
1 . 1启蒙阶段
早在公元前,就有很多自然科学家和哲学家对日常生活中人和动物的力学问题产生了浓厚的兴趣,15世纪末,意大利著名科学家列奥纳多·达·芬奇(Leonardo Da Vinci)用人的尸体研究解剖学, 并在此基础上借助力学研究人体的各种姿势和运动,指出人体运动符合力学定律,奠定了运动生物力学的雏形。
1 . 2初步形成
20世纪,由于体育学及医学的飞速发展,很多运动中的力学问题日益凸显并亟待解决,随着各类电子设备、精密仪器等测试工具的发明为解决这些问题创造了前提条件。结合解剖学、物理学使运动生物力学这门边缘学科应运而生。
1 . 3发展阶段
1967年苏黎世召开了第一届国际生物力学会议,1973年8月在美国宾夕法尼亚大学召开的第四届国际生物力学会议上将运动生物力学从生物力学中划分出来,成立了国际运动生物力学学会(简称ISBS),运动生物力学正式成为独立的一门学科。1982年6月20日, 在美国加利福尼亚召开第一次国际运动生物力学会议,从此,运动生物力学的研究工作在全世界蓬勃开展。我国于1980年成立了下属中国体育科学学会的运动生物力学分会,并于2005年在北京成功举办了第23届国际运动生物力学会议。
2研究方法
对近3年发表在《天津体育学院学报》、《广州体育学院学报》、《西安体育学院学报》、《成都体育学院学报》、《南京体育学院学报》及通过期刊镜像网查阅到的60篇关于运动生物力学的文章进行统计分析,依照不同研究方向对60篇论文进行重复分类:第一类,按运动项目分为田径、三大球(篮、足、排)、小球(乒、羽)、体操、武术、自行车、游泳、射箭及其他;第二类,按研究方法与手段分为三维摄像分析、一维摄像分析、高速摄像分析、动力学测试、肌电测试分析、同步研究、理论分析、文献资料法及其他;第三类,按照研究领域分为运动技术分析、骨骼神经肌肉研究、方法学研究、仪器设备、教学、文献综述、医疗康复、大众健身8个方面。
3分析与结果
3 . 1分析概况
由表1可以看出,奥运会体育项目占研究的主流,特别是田径项目所占最多,原因是田径包括短跑、长跑等较多小项,有着较多的运动人员参与,较多的被人们关注,并且该类项目动作结构相对稳定,有利于取样分析;其次较多的是:体操及武术,这些项目有力学基础支撑便于研究;而三大球(篮、足、排)、小球(乒、羽)等项目虽然普及范围较广,但是这些项目中动作复杂多样,不便于统计分析。
由表2可以看出,运动力学测试手段有了普遍的提高,摄像方面不再是以往单一的高速摄像,而是发展到高速摄像与解析一体化,摄像分析由传统的平面分析发展到三维立体分析。本次60篇论文中,有很多都运用了运动图像解析技术,这种技术的测试方法基本都是通过高速摄像解析完成的。高速摄影拍摄速度快、精度高, 可定量分析也可定性分析,能用计算机控制,所以在研究中得到广泛的应用。动力学测试手段基本通过三维测力平台来完成测量分析。理论分析与实验测试是相辅相成的,理论需要测试数据来证明,而实验测试需要理论来指导。文献资料的研究则可展现各类研究方法、国内外科学发展综述及原理。
由表3可以看出,60篇论文中研究所涉及的面非常广,其中运动技术分析的文章有24篇,占总数的40%,反映了我国运动生物力学研究的主要领域是运动技术类的分析与诊断。大众健身与医疗康复的有6篇,占10%,这两项内容纳入运动生物力学研究的范畴, 说明研究已经不仅只关注竞技体育,也开始向大众人群扩展,大众健身也是我国体育事业的重要组成部分,提高全民体质关系到我国体育事业的长远发展。
3 . 2结果
运动生物力学首先是力学,其次是生物,最后是运动。只有采用力学的方法和手段来研究,运动生物力学才能作为一门科学来发展。运动生物力学的技术分析和研究水平有赖于电子设备等精密研究仪器的发展,需要计算机和动作技术最佳化等方面的分析来研究。我国运动生物力学经过多年的发展,研究水平和研究能力已取得长足进步,但是研究方法和理论方面积累不多,不够深入, 内容还需不断丰富。研究内容方面需要更多的人去研究更多的方向,尤其是没人做或者做的很少的方向,像球类运动等;研究测试手段需要加强计算机仿真及其他运动测试仪器的开发研究;因此, 需要加强多学科合作,多种测试方法的研究结合、多领域的综合开发研究,在基础理论研究方面加倍努力,使我国运动生物力学的发展达到国际水平。
摘要：采用文献资料调研、数理统计等方法对近年发表在各类体育学术刊物上的有关于运动生物力学方面的60篇论文进行统计,结合运动生物力学的发展史、研究任务、测量技术、研究方法等,综合展现了我国运动生物力学的研究现状,并简要阐述其研究发展趋势及展望。
功能梯度板壳的力学研究进展 篇8
FGM的材料要素(组成、结构)沿某一方向由一侧向另一侧呈连续梯度变化,因而其材料属性在剖面上连续地变化,基本消除了宏观界面。如图1[3]所示,FGM有效地实现了材料内部功能的渐变,达到了缓和热应力、避免或降低应力集中的目的[4],其性能要高于一般的传统层合式复合材料[5]。同时,这种材料具有很好的可设计性,设计人员可以通过优化方法有目的地改变材料组成,以获得所期望的性能[6]。
在FGM结构的力学性能的研究方面,由于功能梯度材料是作为航空航天工业中特殊功能材料而提出的,因而功能梯度材料及其结构的力学研究大多集中于热应力、热载荷作用下的裂纹问题,优化设计等方面[7,8],其它各力学分支研究还存在大量空白与薄弱环节。本文对近10年,主要是近5年内,国内外对功能梯度材料板壳(FG板壳)结构弯曲、屈曲、振动等力学性能的研究成果进行了评述,侧重于研究方法与理论的演变及各自的优缺点,并提出了下一步发展的趋势和方向。
1 FGM的性能表征与力学分析方法
功能梯度材料是一种非均质材料,所以其材料基本物理性能的表述与均质材料不同,结构的力学分析方法也不同于均质结构。
1.1 FGM的基本物理性能的表征
严格地讲,FGM的材料属性在3个独立方向上都可以变化[9,10],但大多学者只研究材料属性在厚度方向上变化的情形[8]。而Chi等[4,11]对横向载荷作用下的中等厚度的简支FG矩形板的研究表明:泊松比的变化对于FGM板的力学响应的影响是很小的,所以FGM板的泊松比一般都假设为常数,只研究弹性模量、密度等参数的梯度分布。
目前,FGM物理性能分布特征的表征方法大致分为细观力学方法、指数函数及幂函数表示法。细观力学方法通过引入非均匀材料的代表性体积单元RVE(Representative volume element),利用微尺度拓扑、夹杂的形状、方向和相分布等统计信息表征材料微结构的形态和分布[12],进而采用各种细观力学的经典理论及其改良理论将材料均匀化,最终近似地得出整个材料的宏观属性。在功能梯度材料中常用的细观力学理论模型主要有[13]:(1)经典混合律模型,如Voigt模型与Reuss模型,其多用于较为简单的FGM弹性性能的评估;(2)改进的混合律模型,如Tamura模型;(3)Mori-Ta-naka模型;(4)自洽模型。以上4种模型当材料的体积分数在一定范围内时才能适用[14],且首先需要对各材料的分布函数进行假设,如线性分布、指数分布等,然后按照各自计算式得出FGM的参数的分布。以上4种模型中,混合律模型与Mori-Tanaka模型是研究中常用的两种模型。
由混合律模型得出的由两种材料(相)组成的FGM的参数在厚度方向上的变化规律为:
P(z)=Vundefined(z)P1+Vundefined(z)P2 (1)
式中:P(z)为FGM的物性参数(如密度、弹性模量等),P1与P2分别为两种组分材料也就是上下表面处的物性参数,而Vundefined(z)与Vundefined(z)分别为这两种组分材料的体积分数分布函数,两者满足:
Vundefined(z)+Vundefined(z)=1 (2)
在实际应用时,最常见的是假设其中一种组分材料的体积分数Vundefined(z)在板或者壳的厚度方向上呈幂函数分布[15]:
undefined
式中:n为体积分数指数,h为板的厚度。综合式(1)-(3),就可以得出在FGM结构分析中最常用的幂函数型分布律[16]:
undefined
从式(4)中可以看出,n决定了P(z)分布曲线的曲率。同时,文献[17]也假设其中一种组分材料的体积分数遵循以下两种“四参数幂律分布”:
undefined
式中:n为体积分数指数,a、b、c为3个常数参数。式(3)可以看作是式(5)的一种特殊情形,所以由式(5)得出的FGM材料参数的分布又称为“广义幂律分布”。混合律虽然使用十分简单,但其并没有考虑组分材料之间的相互作用,而Mori-Tanaka型近似地计及了这些作用[6,18,19]。
此外,一些文献常直接采用各种函数来描述在梯度方向上的材料参数的分布。最常用的是指数函数型分布表达式为[16]:
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而H.Zhu[20]则利用z的多项式表示弹性模量沿厚度方向的分布:
undefined
式中:ai(i=1～4)为常数参数。另外,还有其他的一些表示方式[21,22]。
FGM的材料参数不仅与空间相关,而且与温度相关。FGM组分材料属性undefined的温度相关性一般用式(8)表示[23]:
undefined
式中:T是开尔文温度,undefined是对应材料的温度系数。
值得注意的是,在功能梯度材料中,材料的属性在构件尺寸内是不断变化的,要找出一个典型的代表性单元十分困难,而幂函数型和指数函数型这类连续性模型,均将FGM视为性能连续变化的非均匀材料,忽略了细观结构的影响,误差较大,真正适合于FGM结构特点的细观力学模型还有待继续探索和研究[24]。
1.2 FGM结构的分析方法
功能梯度材料结构的力学特点不同于一般的均质材料结构,因而传统的板壳理论有时已不再适合FGM结构[25]。目前用于FGM结构的主要理论分析方法有[26]层合模型法、简化模型法及精确解法(解析法)。
同时,一阶剪切理论与各种高阶剪切理论[6,8,27]、von Kármán理论[25]等结构的分析理论,及有限元法[28,29,30,31]、无单元法[6,32,33]、级数展开法[34,35,36,37]、微分求积法[38,39,40,41](Differential quadrature method,DQM)等数值方法都在FGM结构的研究中得到了广泛的应用。
2 FGM板壳结构的弯曲
FGM板壳弯曲性能研究是当前研究较多的领域,研究者利用二维或三维分析方法对FGM板壳的线性弯曲与非线性弯曲展开了广泛的研究。
在此过程中,经典板理论与各阶剪切理论都得到了应用,但通过研究[19,20]发现,经典均质板理论与夹芯板理论已经不再适合FGM结构的弯曲,需要发展高阶剪切理论等新理论来分析其结构的弯曲变形。基于一阶剪切变形理论的模型由于分析和计算程序简单在实际中应用广泛,其精确度很大程度上依赖于剪切修正因子的数值。各种二阶和高阶剪切变形板理论采用高次多项式来表征板厚度方向上的位移分量,且不需要FST中的剪切修正因子。对于各种形式的FGM板,高阶板理论一般能够对挠度、屈曲载荷和固有频率等全局响应做出更精确的描述,但是需要很大的计算量。
2.1 FGM板壳弯曲的二维分析
2.1.1 线性弯曲分析
在线性弯曲分析中剪切理论的应用方面,Nguyen等[42]给出了改进后的FGM板的一阶剪切变形理论(FSDT)中的剪切刚度和剪切修正因子,得到了简支FG正方形板与柱面弯曲的、表层为FGM的夹芯板基于FSDT的封闭解。基于无约束三阶剪切理论(UTST),Saidi等[43]假设材料参数在厚度坐标上呈幂函数变化,研究了FG圆板的轴对称弯曲问题。基于Levinson板理论(LPT)和一阶剪切变形板理论(FST),Sahraee[44]研究了厚FG扇形板的纯弯曲问题,与Reddy的高阶剪切理论相似的是,LPT也利用相同的三阶多项式来假设板厚度方向上的面内位移变化,不需要修正因子且收敛速度快。
而为了更精确地表述横向剪切变形的影响,一些学者将厚度方向的面内与横向位移分量扩展到任何次数,发现要获得更精确的结果需要发展比三阶更高的多项式[8]。Sah-raee[8]将厚度方向上的面内位移分量(轴对称分析)的次数扩展到4次,得出了四阶剪切变形理论(Fourth-order shear deformation theory, FOST),并假设板在横向不可压缩,得到了FG圆板弯曲问题的解析解。Zenkour提出了一种广义剪切变形理论[27],通过假设板的表层拉应力为零,简化了公式,这个理论与Reddy高阶剪切板理论(HPT) [45]一样,包含了与一阶剪切板理论(FPT)相同的因变量,且不需要剪切修正因子,并在板的表面满足剪切力为零的边界条件。基于该理论,Zenkour[27]研究了横向均布载荷作用下简支矩形FG板的弯曲问题,发现板的基本响应变化规律与其中金属与陶瓷体积含量的变化是相对应的,这与文献[18]所说的一致:不考虑热荷载时,具有中等程度材料组分的FGM矩形板,其具有中等程度的非线性弯曲响应(即介于纯陶瓷和纯金属材料板的响应之间),这与边界条件是无关的,材料属性的梯度对FGM板的响应具有很重要的影响。
以上板理论均忽略了板的横向变形,且一般假设板的变形处于平面应力状态,这对于薄板是适用的,但对于长厚比等于或小于5的厚板结构就不再适用[46]。为了计及横向变形的影响,Batra等[47]提出了高阶剪切和法向变形板理论(HOSNDPT),同时考虑了横向法线和横向剪切变形,能够精确地满足板主面的拉伸边界条件,可以精确地描述横向位移或者挠度为零时的厚度方向上的振动模态。基于这个理论与无单元局部Petrov-Galerkin法(MLPG),Batra等[46]研究了不同边界条件下FG厚板的挠度和应力的分布。
另外,物理中性面薄板理论也得到了发展。Zhang等[48]基于物理中性面,给出了FGM薄板的理论分析。其FGM板的物理中性面是由薄板理论得出,忽略了小挠度问题中的中性面的位移,其求解过程与各向同性板一致。Chi等[4,11]指出:FGM板的中性面与厚度方向上的材料属性的分布是相关的,对于特定的材料分布,与E1/E2的比值相关,而中性面的位置与跨厚比及外部载荷无关。
2.1.2 非线性弯曲分析
非线性对板的响应的影响是十分明显的,其将减小机械载荷作用下板横向挠度的幅值,对FG板壳结构进行非线性分析是十分有必要的。
基于能量法、FSDT、TSDT与最小势能理论,Khabbaz等[49]研究了简支FGM板在分布载荷作用下的大挠度变形与厚度方向上的应力分布。其结果表明,由一、三阶剪切理论实现的能量法可以正确描述板厚度对变形和板厚度方向上应力的影响。基于一阶剪切变形理论和von Kármán非线性理论,Nosier等[50]研究了横向载荷作用下FG圆板的非线性轴对称与非对称力学性能,发现对于径向不可动的简支FG圆板,即使是小挠度问题,线性分析也是不够的,且同等大小的正向与负向载荷作用下的FGM的响应是不同的。
为了弥补和改进经典von Kármán和Sander非线性理论的不足和局限性,研究者对这两个非线性理论进行了修正。基于Reddy高阶剪切变形板理论,Shen[51]研究了在热/机载荷作用下的简支FG板的非线性弯曲问题,导出了以法向挠度undefined,转角undefined与undefined以及应力函数undefined表征的FGM平板的广义大挠度方程,其中包括剪切变形效应、拉-弯耦合效应和热耦合效应,奠定了FG复合材料板壳结构非线性分析的基础[18]。
2.2 FGM板壳弯曲的三维分析
为检验FG板二维解中采用的位移和应力场简化假设的适用性,并确定其精确度,对于某些基本问题如矩形板的弯曲,研究其基于三维弹性理论的准确解析解是十分必要的。解析法和数值法是对板进行三维分析常用的两种方法,但解析法只适用于少数简单的情况,还未发现有对复杂几何和边界条件的板的解析解,此时多用一些数值方法如无单元法[52]、DQM、级数展开法等进行三维分析。
Kashtalyan等[5]对芯材为FGM的夹芯复合材料板在横向载荷下的响应进行了三维弹性分析,发现与传统的芯材为均质材料的夹芯板相比,采用FGM后消除了表层和芯材界面上的正应力、剪应力的不连续,而这些力常会导致板结构的破坏。基于三维弹性理论,Xu等[53]研究了具有变化厚度的四边简支的FG矩形板的应力和位移分布,但其解只适用于四边简支和材料指数分布的矩形板。Shao等[54]给出了简支有限长FG圆柱板在内外表面承受非均匀机械与热载荷时的三维热弹性解。基于二维三角法和三维弹性解,Zen-kour[55]研究了正弦载荷作用下的简支FG矩形板的弯曲问题,考虑了横向剪切和法向变形的影响,给出了大量指数梯度矩形板的位移和应力的数值结果,其虽然给出了横向剪切应力的分布,但并未提出横向正应力分布。
状态空间法不仅方法简单,而且计算效率也很高,因此在FGM结构的三维解的求解中得到了较广泛的应用。Zhong等[56]发展了一种适合四边简支正交各向异性FG压电材料矩形板的三维解,首次采用状态空间法得到了板在上下表面受机械和电载荷作用时的电弹性场的三维解。基于微分求积法(DQM)和状态空间法,Alibeigloo等[38]得到了粘有压电层的FG圆柱板静态分析的三维解。Vaghefi等[52]发展了一种无单元局部Petrov-Galerkin法,获得了FG厚板的三维静态解。
3 FGM板壳结构的屈曲与后屈曲
与FGM板壳的弯曲分析一样,在FGM板壳的屈曲和后屈曲分析中,各种关于板壳的二维简化假设都得到了应用。利用忽略横向剪切变形和法向应变的经典板壳理论,屈曲载荷的计算十分简单,一般都可以得到闭合解,可以在合理精度范围内描述薄板壳的响应,而对于FGM的厚板壳结构,其精度很低。一阶剪切变形理论虽然计及剪切变形和厚度改变的影响,但其精度很大程度上依赖于剪切修正因子的数值。各种二维高阶剪切近似理论计及了剪切变形和转动惯量的影响,对于求解FG板壳的屈曲应力有足够的精度。
3.1 FGM板壳的屈曲
主要对高阶剪切理论与变分原理、无单元法等数值方法相结合的分析方法在FG屈曲分析中的应用进行阐述。
Shariat等[57]研究了厚度上线性梯度的简支FG厚矩形板在机械和热载荷作用下的屈曲问题。基于高阶剪切变形板和边界层函数,Bodaghi等[58]分析了厚FG矩形板的屈曲问题。Zenkour[59]利用正弦剪切变形板理论[27],考虑了转动惯量的影响,对简支FG夹芯板的屈曲和自由振动问题进行了研究。
在FG板壳的屈曲分析中,无单元Galerkin法和无单元kp-Ritz法也得到了较多的应用。如基于Mindlin板假设,Chen等[32]采用无单元Galerkin法分别研究了压电FGM板在非均布载荷产生的前屈曲应力作用下,电流和温度改变和不变时的屈曲问题。基于一阶剪切变形理论和无单元kp-Ritz法,Zhao等[33]研究了FG板在轴向机械和热载荷作用下的屈曲性能,利用一系列无网格核粒子方程近似了位移场,利用稳定相容节点积分技术计算弯曲刚度。
在FG板的屈曲分析中,变分原理也得到了一定的使用。如基于经典板理论,Javaheri等[60]利用变分法研究了均布面内压缩载荷作用下FGM板的屈曲。基于高阶剪切变形板理论 (HSDT)和变分法,Najafizadeh等[61]给出了径向均布压缩载荷作用下FGM圆板的平衡和稳定方程,发现高阶剪切理论精确地描述了FG圆板的力学行为,而一阶剪切变形理论(FSDT)与经典板理论(CPT)得出的屈曲载荷过大。
3.2 FGM板壳的后屈曲
在结构的后屈曲的研究中,常用的方法主要有解析法、半解析法和有限元法。
在对FGM进行屈曲和后屈曲的分析过程中,关于FGM板结构中分叉屈曲是否存在及如何求解的问题引起了许多学者的兴趣。基于von Kármán型非线性,Navazi等[19]研究了考虑剪切变形的FG板的非线性圆柱形弯曲和后屈曲问题的精确解,发现对于简支FG板,在面内压缩载荷作用下,不存在分叉点载荷,而其横向挠度有上限,在很大的载荷作用下会达到“饱和”。Birman等[62,63]指出,当FGM板关于几何中面对称时,在温度变化和面内压缩载荷作用下,其确实存在分叉屈曲载荷。而Shen[64]研究了热载荷作用下关于几何中面对称的有缺陷和无缺陷的简支FG板的后屈曲问题后发现,在热载荷作用下,关于中面对称的无缺陷的FG板的后屈曲问题不再属于分叉点类型。Liew等[65]也指出,在四边简支的FGM板是不存在分叉屈曲温度,即使对于均匀温度变化的载荷情形也是如此。在分叉屈曲的求解方面,基于Reddy高阶剪切理论和von Kármán-Donnell型非线性,Shen等[66]从分叉型屈曲的角度,分析了均布横向载荷作用下的FGM圆板的后屈曲性能。基于经典壳理论和von Kármán-Donnell型非线性,并考虑温度对材料属性的影响,Yang等[67]研究了轴向载荷和均匀温度变化作用下FGM圆板的后屈曲性能,得出了有缺陷和无缺陷板的后屈曲路径。
在FG圆柱板壳的后屈曲研究方面,Huang等[68]研究了轴向载荷作用下含缺陷功能梯度材料圆柱壳的屈曲问题,结果表明,轴向压缩的FG圆柱壳对于缺陷是很敏感的。Huang等采用Ritz能量法,又将圆柱壳非线性大挠度理论扩展,研究了横向载荷作用下[69]、轴向载荷和横向压力同时作用下[70]的FG圆柱壳的非线性屈曲和后屈曲性能及扭矩载荷作用下的FG圆柱壳的非线性屈曲问题[71],发现FGM圆柱壳在屈曲后出现了“震荡模跳变”(Mode jumping)现象。在这些文献中,均考虑了温度对材料属性的影响与外部热环境的各种效应,但未考虑初始缺陷的影响,而若结构带有初始几何缺陷,必将影响其后屈曲性能[72]。基于经典板理论,并考虑von Kármán型非线性和初始几何缺陷,Duc等[73]研究了FG板在面内压缩、热及耦合载荷作用下的稳定性。采用相同的方法,考虑了von Kármán-Donnell型运动非线性和初始几何缺陷的影响,他们又分别研究了FGM圆柱板在轴向压缩载荷[74]与横向载荷[75]作用下的屈曲和后屈曲问题。
以上文献由于研究问题的复杂性,在FGM板壳后屈曲的解析求解方面,取得的大多是数值解或半数值解。基于一阶剪切变形理论和von Kármán非线性动力学,Wu等[76]利用快速收敛的有限双Chebyshev多项式,得到了热机载荷作用下FGM板的后屈曲响应的解析解。基于von Kármán大挠度理论和中等厚度的高阶剪切变形理论,Woo等[77]研究了中等厚度的FG板和扁壳的后屈曲的性能,研究了以上两种结构在温度场中、边界压缩载荷作用下的后屈曲性能,得出了Fourier级数表示的解析解。
4 FGM板壳的振动与动力稳定性
精确的频率和模态形状计算对于结构的强度和安全性设计至关重要,FGM板壳结构的振动性能和动态稳定性吸引了越来越多的研究者,也出现了大量的成果。
4.1 FGM板壳结构的振动分析
在FG板壳的振动分析中,各种有限元方法得到了广泛的应用。基于一阶剪切变形理论,Efraim等[78]利用精确有限元法对具有变化厚度的各向同性材料和FGM厚圆环板进行了振动分析。基于高阶理论,Patel等[79]采用有限元法研究了FG椭圆壳的自由振动问题,其采用的有限元法是基于场一致原则,避免了剪切自锁和膜自锁的问题,表达式中精确引进位移-应变关系,没有在厚度坐标与半径比的项中采用任何假设。基于von Kármán型的非线性表达式,Sundararajan等[31]发展了一种八节点剪切柔性四边形板单元,并用有限元程序和直接迭代的方法求解了Lagrange运动方程得出的非线性控制方程,分析了热-机环境中FGM板包括斜板的大振幅自由柔性振动。
在无单元法和变分原理的应用方面,基于一阶剪切理论,Zhao等[80,81]利用无单元kp-Ritz法分别对金属和陶瓷FG板和壳进行了自由振动分析。Ferreira等[82]利用局部排列法,一阶剪切和三阶剪切变形板理论、Mori-Tanaka均匀化技术、并利用多重径向基函数近似三角解,分析了FG板的自由振动问题。基于多重二次径向基函数法和高阶剪切变形理论,Roque等[83]研究了FG板的自由振动问题,利用Mori-Tanaka法对材料属性进行均匀化处理,采用的多重二次法能够简单快速地实现域和边界的离散。
FGM板壳结构在流体中或弹性基础上的振动也得到了一些研究人员的注意,Sofiyev[84]研究了自由支撑的截顶和完整圆锥壳在均布横向载荷和静水压力作用下的振动和稳定性。基于一阶剪切变形理论,利用修正的Bessel函数,Sheng等[85]研究了弹性介质中填充流动流体的FG圆柱壳在机械和热载荷作用下的振动问题。基于一阶剪切变形板理论,Hosseini-Hashemi等[86]提出了Winkler或者Pasternak弹性基础上的中等厚度FGM矩形板的自由振动的解析解。其研究的矩形板两对边简支,而另外两边可能自由、简支或者固支。
一阶和三阶剪切理论在各种FG板壳的振动分析中都得到了广泛的应用。基于一阶剪切变形理论,Francesco等[17]研究了中等厚度的抛物线旋转板壳的动态性能。基于同样的方法,Francesco[87]又研究了中等厚度的FG圆锥、圆柱壳和环板的动态性能。基于三阶剪切变形板理论和Rayleigh-Ritz法,Kim[36]利用双Fourier级数将位移展开,并使其满足边界条件,研究了预应力金属-陶瓷FG矩形板在热环境中的振动特性。基于三阶剪切变形理论,Kitipornchai等[88]利用半解析法和一阶摄动技术,研究了广义边界下、任意温度变化作用下FG层合板的随机振动问题,考虑许多独立参数(弹性模量、泊松比和组分材料热膨胀系数等)的随机性。
与线性振动相比,对FGM板壳结构的非线性振动的研究是非常有限的。基于高阶剪切变形理论和考虑热、电效应的广义Kármán型方程,利用改进的扰动技术,Huang等[88,89]分别研究了热环境中四边简支FGM板和表层粘有压电层的FGM板的非线性振动和动态响应。基于与以上两文同样的理论和方法,Xia等[91,92]又分别研究了热环境中压缩和热后屈曲的、带有FGM表层的夹芯板和粘有压电激励器的FGM板的非线性小振幅和大振幅振动,考虑了热传导的影响。但后者只考虑了FGM层材料属性与温度的相关性,认为压电层的材料属性与温度无关[93]。
在非线性振动分析中,级数展开法、有限元法、迭代法、微分求解法等求解方法也得到了很多的应用,如Woo等[94]研究了FG矩形板的非线性自由振动问题,发现非线性耦合效应在FG板的振动响应中起到重要作用,Chen[95]研究了预应力FG板的非线性振动。后来,Fung等[96]又利用摄动技术给出了任意预应力作用下有缺陷的FGP的非线性振动的非线性偏微分方程,并利用与文献[95]相同的方法求解,研究了带有几何缺陷的预应力FG板的非线性振动。Chorfi等[97]采用曲板形式的p型壳单元分析了中等厚度椭圆板形式的FG双曲线扁壳的线性振动和几何非线性振动。
与基于二维简化理论的二维振动分析相比,基于三维理论的厚板壳的三维振动分析的成果较少。Vel等[98]研究了简支FG厚矩形板的自由振动和受迫振动问题的三维精确解,发现一阶剪切变形理论与精确解的吻合最好。基于三维压电精确方程,采用层合模型和状态空间法,Chen等[99]研究了内部充满可压缩非粘性流体介质、厚度方向上是梯度的任意厚度的压电空心圆筒的自由振动。结果显示,由于流体介质的出现,圆柱的频率将明显不同。基于三维各向异性弹性基本方程和层合理论模型,Chen等[100]又利用统一的矩阵形式,提出了一个具有变异系数的状态方程,研究了任意厚度、填充流体的正交各向异性简支FG圆柱壳的自由振动问题。基于三维弹性理论,Malekzadeh等[40]研究了热环境中FG厚环板的自由振动问题。基于三维弹性理论,Farid等[41]研究了热环境中,二参数Pasternak弹性基础上预应力简支FG厚曲板的自由振动问题。Nie等[22]求解了FG圆板在各种边界条件下的振动频率和动态响应。基于相同的假设、理论和方法,Nie等[101]又研究了具有简支径向边和任意圆周边的FG环扇形板的自由振动和受迫振动。Li等[102]基于三维线弹性理论,研究了简支和固支FGM夹芯矩形板的自由振动问题,考虑了两种FGM夹芯板,一种是FGM表层和均质芯材,另一种是均质表层和FGM芯材。
4.2 FGM板壳的动力稳定性
为了保证板壳结构在动力载荷下的安全性,探讨结构的动力稳定性问题是十分有意义的。在FGM板壳的稳定性分析中,有限元法、变分法等数值方法及Galerkin法、Hamilton准则、Runge-Kutta法是比较常用的。
Sofiyev等[103,104]研究了FGM薄圆柱壳在随时间线性增加的横向冲击载荷和扭矩作用下的FGM圆柱壳的线性动力屈曲问题,得到了修正的Donnell型动态稳定性和相容性方程,给出了FGM薄圆柱壳在随时间线性增加的扭转作用下的稳定性表达式。但遗憾的是,其研究并没有包括结构变形和热环境的非线性影响。利用Galerkin技术、Ritz型变分法及Runge-Kutta法,Sofiyev[105,106]又分别研究了以下情形的动力屈曲问题:周期外部载荷作用下的FG截顶圆锥壳、时间幂级数轴向压缩载荷作用下的圆柱壳、时间线性轴向压缩载荷作用下的截顶圆锥壳。基于由Donnell壳理论得出的大挠度方程,Darabi等[108]研究了周期轴向载荷作用下两端简支的FGM圆柱壳的非线性动态稳定性。采用相同的方法,Zhu等[109]对FG压电圆柱壳动态稳定区域进行了三维理论分析。采用二维高阶剪切变形板理论,Matsunaga[110]研究了轴向应力作用下FGM圆柱壳的振动和屈曲问题,得出了轴向应力作用下简支FG圆柱壳的临界屈曲应力,给出了屈曲应力与固有频率之间的关系。
采用了Shariyat和Eslami提出的壳理论[111],Sha-riyat[30]研究了粘有传感器与激励器铺层的有缺陷的FGM圆柱壳在热-电-机械耦合载荷作用下的动力屈曲问题,其使用有限元法求解了非线性控制方程,并由修正的Budiansky准则给出临界载荷。考虑几何缺陷的影响,Shariyat[112]又研究了承受轴向和横向预应力的FGM圆柱壳在瞬态热冲击作用下的非线性动力屈曲问题。后来,Shariyat[113]发展了基于高阶剪切理论的九节点的二次Lagrangian有限元表达式,考虑了初始几何缺陷及材料参数的温度相关性,研究了热-电-机械载荷作用下,表层粘结或植入压电传感器和激励器的FGM矩形板的振动和动力屈曲问题。结果显示,初始几何缺陷常提高弯曲基频,而降低临界屈曲载荷。基于剪切变形和连续场原理理论,Ganapathi[114]也发展了一种三节点剪切轴对称壳曲线单元,研究了固支FGM球壳结构单元在外部分布载荷下的动态稳定性能,认为使得壳结构的最大平均位移出现突升的载荷是其动力屈曲载荷。
5 结语
关于FGM板壳结构力学性能(弯曲、屈曲和振动)的研究,沈惠申[18] 曾对2004年以前的工作进行了很好的评述,在前人的基础上,本文主要对近5年内的研究工作进行了简单的评述。综合前文所述,FGM板壳弯曲、屈曲和振动的研究在近几年得到了较大的关注和较快的发展。各种传统的和新的板壳理论如高阶剪切和法向变形板理论(HOSNDPT)及各种高效的数值方法,如DQM、无单元法、Galerkin法等都在其中得到了广泛和有意义的应用。
由于FGM板壳的结构的复杂性,当前的工作尤其是屈曲和振动分析,大多局限于利用各种二维简化理论进行线性分析,且得到的大多是数值解,非线性分析和三维分析得到的成果是比较有限的。而且当前的研究大多针对热环境中、厚度方向梯度变化的FG矩形板和圆柱壳,且大多局限于理论分析,对于FG结构的试验及其它环境中(如水下)、其它形式(如面内梯度变化、圆锥壳)的FGM结构的研究还相对较少。随着FGM在其他领域和结构中的应用,需要进一步对这些FG结构进行力学特性的分析。