自行车作为世界范围内交通系统的重要组成部分,具有便利、灵活、环保、健身和经济耐用等特点,受到大众的青睐,近年来自行车设计研究发展迅速。而人体作为人-车系统中最重要的部分,在设计自行车产品时应充分考虑人的因素,因此运用生物力学对骑行过程中人体自身的生物力学状态进行研究对自行车设计具有非常重要的意义。本文以人-自行车系统为研究对象,通过骑行动作姿态捕捉实验,并建立人-车系统模型,以此进行动力学仿真分析及其踝关节模型的有限元分析。骑行运动捕捉实验为动力学仿真做准备。实验中利用LUKOtronic运动捕捉系统对运动数据进行采集,通过调节鞍座的高低,改变骑行过程中膝关节的最大角度,从而得到实验者在不同骑行姿态下身体各部位的运动数据。运用Creo、ADAMS和Life MOD软件创建了人-自行车系统模型,采用骑行实验采集的运动数据,在ADAMS软件中对在不同骑行条件下的人-车模型进行反向和正向动力学仿真分析,得到了在骑行时人体下肢关节力周期性变化的分布规律,参数研究考虑了骑行速度和骑行姿态对膝、髋、踝关节力的影响,其中在骑行周期(脚蹬旋转一周)中200°~230°区域的膝、髋、踝关节合力最大,在270°~280°区域中关节合力最小。分析结果为健康骑行提出了指导性建议:休闲骑行,即骑行速度低于22.5km/h(60r/min),膝关节最大张开角度为120°膝、髋、踝关节力最小;竞赛骑行,即骑行速度高于22.5km/h,膝关节最大张开角度为130°关节力最小。其中竞赛骑行的指导性建议已经被自行车运动员的竞赛骑行实践证实。基于CT扫描志愿者的右侧踝关节数据,利用Mimics软件,Geomagic Studio软件和Creo软件建立了踝关节的三维模型。对在速度为18.6 km/h(50r/min),最大膝关节角度为120°的骑行条件下的踝关节进行有限元分析,分析可知:踝关节各部分的位移较小。其中在足部模型中,足弓处位移较大,在足部的外侧和前脚趾骨位移非常小。跟骨受到的应力最大,前脚掌脚趾处应力最小。在胫腓骨远端的应力的主要分布区域为:胫骨远端关节面前部、后部、内踝部和腓骨远端外踝部。有限元分析所得结果为预防和治疗骑行过程中的踝关节损伤具有一定的参考价值。