马拉松运动中织物摩擦对于皮肤损伤的模拟研究

作     者：杨可 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王朝晖

授予年度：2021年

学科分类：0821[工学-纺织科学与工程] 08[工学] 082104[工学-服装设计与工程] 

主      题：马拉松运动 皮肤损伤 织物摩擦 有限元模型 回归预测 

摘      要：当今,中国马拉松运动快速发展,跑者人数呈井喷态势。马拉松赛事具有开放性、包容性,不仅参赛者年龄覆盖广,也有越来越多的非专业跑者加入这项运动。马拉松运动是一项长时间、长距离的极限运动,参赛者的持续性单一往复动作可能会对皮肤造成损伤。为了模拟马拉松运动中织物与皮肤的动态摩擦过程,探究马拉松运动中皮肤损伤的影响因素,本文以大腿部皮肤为研究对象,建立了织物与皮肤摩擦的有限元模型以及回归预测方程,分析长时间摩擦对皮肤损伤的影响以及织物会造成皮肤摩擦损伤的相关因素。主要包括以下四个方面的研究内容和成果:(1)皮肤与织物的结构以及力学、热学性能研究。皮肤与织物的摩擦是一个热力耦合的过程,涉及相关的力学以及热学参数。本文选取六种市场上已有的不同档次的针对马拉松运动的服用织物,测定了织物的泊松比、杨氏模量、热传导系数以及比热容,提取了织物的截面轮廓并用傅里叶逼近拟合曲线进行抽象提取,测定了织物与皮肤间的摩擦系数,以及从文献研究中确定了皮肤的相关参数。(2)模拟马拉松运动中皮肤与织物摩擦的热力耦合有限元模型的建立。在马拉松运动中织物与皮肤摩擦时,皮肤会产生弹性变形,所受的形变位移以及摩擦力较大,跑者会出现不适感。随着摩擦的进行,皮肤表层细胞会逐渐被磨破,脱落,并且皮肤温度升高,导致出现红斑现象,最终使皮肤受损。因此本文基于ABAQUS有限元软件,结合所测得的皮肤与织物力学、热学参数以及马拉松运动中的摩擦行为,设置织物与皮肤的相互作用以及边界条件,构建了织物与皮肤摩擦的热力耦合有限元模型,计算得到了皮肤所受的摩擦力、发生的位移以及皮肤表层温度,并验证了模型的准确性。(3)针对马拉松运动的时序预测。为了缓解有限元模型的运算压力,本文使用MATLAB软件中曲线拟合工具箱对马拉松运动中皮肤的表层温度、摩擦力以及形变位移数据构建了回归预测方程,并使用LSTM神经网络进行时序预测,将两者结果进行对比,验证了回归预测方程的准确性。(4)马拉松运动中皮肤摩擦损伤的影响因素分析。皮肤所受摩擦力、形变位移以及表层温度作为判断皮肤损伤的指标,本文以每间隔1小时的数据进行分析,通过配对样本T检验得出,随着时间的推移,皮肤所受摩擦力、形变位移以及表层温度有显著变化。通过双因素方差分析得出六种织物间存在显著差异,最后通过灰色关联分析法得到织物对皮肤造成摩擦损伤的最主要因素为厚度、热传导系数以及粗糙度。本文建立的织物与皮肤摩擦的有限元模型可以为今后服装与人体之间的力学分析提供思路,为马拉松参赛者服装的设计提供参考,为加强马拉松运动中的损伤防护提供理论依据,以此减缓织物摩擦对于皮肤的损伤,也可以为日常服装穿着过程中产生的摩擦问题提供借鉴,具有一定的理论价值和社会意义。