居家型多功能跑步机结构设计与有限元分析

摘要：为设计一款符合家庭体育需求的健身器材，以跑步机的基本造型为基础，结合居家产品的特点，综合运用健身器材人体工学理论和工业设计领域知识对居家型多功能跑步机结构进行设计。利用SolidWorks软件构建居家型多功能跑步机的三维模型，通过仿真模拟确保结构的合理性；嵌入PLC单元进行工作模式控制，实现各模式间的自由转换；采用有限元仿真软件对居家型多功能跑步机的零部件进行静力学分析。结果表明：居家型多功能跑步机结构强度合格。将健身器材与居家产品的功能进行融合，可为家庭体育健身器材开发提供参考。

关键词：产品设计；居家型多功能跑步机；结构设计；有限元分析

跑步机是生活中最便捷的健身器材和康复训练设备之一［1－3］。由于受到天气、场地等客观因素的影响较小，通过室内跑步机进行锻炼已成为人们健身的重要选择［4］。但是，随着人们生活方式的变化，传统的跑步机已不能满足健身需求。传统跑步机多为功能单一的跑步机，研究人员对其控制系统进行了智能化和多功能设计，如跑步机控制系统中嵌入Android平台［5］，虚拟现实技术与跑步机结合捕捉运动数据［6］，虚拟跑步系统的开发［7］，对跑步动作开发识别算法［8］等。就目前研究来看，对跑步机智能控制方面的研究较多。然而，现有跑步机在体积、功能等方面存在诸多不足，在跑步机结构和造型的创新设计方面研究较少。

为提高跑步机的实用性，使跑步机的设计更符合现代人的生活方式，设计应从跑步机与居家产品的特点及人们的健身需求出发，结合人机工程学的标准和原则［9］，开发新的机械传动结构［10］，实现居家产品与健身器材功能的融合，为家庭体育的发展提供更加人性化的器材。以往研究中，多以健身器材或居家产品其中一种为研究对象，很少提出将两种产品的功能进行融合。文中对居家型多功能跑步机进行研究，结合健身器材和居家产品的特点，设计一种可满足家庭体育需要的多功能健身器材。在一定程度上满足家庭体育健身需求，为家庭体育健身器材的开发提供参考。

 

1居家型多功能跑步机结构设计

 

体育锻炼已融入到人们的生活当中，跑步机开始进入我国家庭［11］。文中针对家庭体育的发展设计一种居家型多功能跑步机，在SolidWorks软件中绘制出跑步机的总体结构设计方案，如图1所示。

跑步台、控制面板、底座、把手、第1伸缩杆、第2伸缩杆和支撑杆各构件间均采用铰接的方式进行连接，通过调整各部件间的铰接旋转角，灵活调整设备的状态，使其满足不同的要求；各伸缩杆采用液压伸缩，易于布置，组合灵活性大，利用较小的液压传动装置即可获得较大的力或力矩，实现一物多用。跑步机包括收纳状态和4种工作模式：座椅、跑步机、简易双杠、哑铃凳。

1.1收纳状态

跑步机具有折叠功能，闲置存放时，由第2伸缩杆6将其撑起，控制面板2收起，可将其折叠收纳，具有占地面积小，易于在室内放置，节省空间等优点，克服了传统跑步机笨重、闲置时占地面积大的弊端，如图2所示。

1.2座椅模式

座椅的主体升降由椅面下方的第1伸缩杆5实现，靠背部分是由跑步台1后部的第2伸缩杆6控制，实现角度变化，两者的变换均利用液压传动实现。座椅可满足通用办公需求及部分生活功能，根据办公桌椅的尺寸与人体尺寸特征，满足办公和日常使用［12］，同时嵌入了智能化健康提醒系统，提醒使用者养成良好的生活习惯，如图3所示。

1.3跑步机模式

跑步功能是产品的主要功能，其功能与传统跑步机相似，可根据个人的身高及运动习惯操作控制面板2，通过第1伸缩杆5调节高低，调速电机带动跑步带，得到不同速度和坡度的跑动或漫步。根据运动要求自由调整跑步台1的角度，实现适合多种运动的需要，如图4所示。

1.4简易双杠模式

在跑步机模式的基本结构上，对把手4进行180°旋转即为简易双杠模式，可进行简单的双杠锻炼，把手4采用镂空结构，可通过捆绑弹力绳，实现阻力训练，如图5所示。

1.5哑铃凳模式

将底座3直立，通过第2伸缩杆6调整跑步台1，然后通过支撑杆7进行支撑。可根据运动要求自由调整跑步台的角度，满足多种运动的需要。在哑铃凳模式下，结合哑铃和杠铃等上肢训练器材，进行上肢练习。此外，闲时可用来观看娱乐节目和电影，增加其休闲娱乐功能，如图6所示。

在不同模式下，跑步机的显示器11可转换为对运动进行监控的报告屏幕。采用PLC控制模块实现各部件间的自动转化。人为通过控制面板2发送工作状态指令，由安装在伸缩杆内的伺服缸与PLC控制模块组成的闭环系统通过指令的先后顺序依次调节各杆，达到该工作状态的预设伸缩量，完成工作状态的变换。

2有限元仿真分析

为分析居家型多功能跑步机不同工作状态下的结构强度，发现跑步机设计可能存在的不足，在跑步机收纳状态和4种工作模式（座椅、跑步机、简易双杠、哑铃凳）下，利用ANSYS有限元分析软件分别对其底座、跑步台、支撑杆、把手、控制面板、第1伸缩杆及第2伸缩杆等主要构件（图7）进行静态受力情况分析。

ANSYS分析过程［13］包括创建有限元模型、定义约束与载荷、求解并查看结果3个步骤：

（1）建立有限元模型。将已建好的SolidWorks三维装配模型导入ANSYS软件中。为方便将模型进行网格划分，在不影响模型结构受力分析的基础上，对三维模型进行合理简化。模型简化后，再调整跑步机的不同工作状态，将5种不同工作模型导入ANSYS中进行有限元分析。

按照一般健身器材的材料选择要求，结合居家型多功能跑步机的受力特点分析［14］，定义模型材料为Q235钢，弹性模量为2×1011 N/m2，泊松比为0．3，密度为7 860 kg/m3，屈服强度为235 MPa。对整体模型进行网格划分，网格的最小边长为0．002 388 45 mm，网

格数为153 064个。

（2）定义约束与负载。将三维装配模型导入ANSYS软件的WorkBench模块中，利用装配模型中已有的零件间相互位置自动生成各零件间的接触关系，默认为绑定关系。根据跑步机5种实际工作情况，将组件间可能会发生分离的接触面设置为摩擦关系，如第1和第2伸缩杆外筒和内筒接触面的摩擦因数设置为0．15（材料为Q235钢）；将各转动关节处设置为revolute joint；其他组件间不发生分离的接触面设置为绑定关系。

如图8所示，设定使用者体质量为100 kg，将底面固定，在跑步台的位置竖直向下施加980 N的力，设置机构各组成部分的重力加速度为9．806 6 m/s2，把手处施加额外500 N的力。

（3）求解并查看结果。在不同的工作状态下，对各构件进行静力分析运算，得到不同工作状态下各构件的变形云图、应变云图和应力云图。

文中以跑步机底座为例，给出跑步机状下，底座与地面接触时的应力云图，如图9所示。

（4）结果分析。居家型多功能跑步机的5种工作状态下的最大变形、最大应变、最大应力情况如表1～表3所示。

由表1可知，跑步机各构件的最大变形（14．576 mm）为座椅模式时的跑步台。

由表2可知，跑步机各构件的最大应变（297．98×10－4）为哑铃凳模式时的支撑杆。

由表3可知，跑步机各构件的最大应力（217.77 MPa）为简易双杠模式时的支撑杆，小于其屈服强度235 MPa，跑步机结构的受力变形在合理范围内，验证了跑步机结构强度合格。

3结论

 

以跑步机的基本造型为基础，对居家型多功能跑步机进行整体设计，建立符合人体工学的健身器材三维模型。结合座椅、跑步机、简易双杠和哑铃凳的共性，通过控制系统和结构变换使居家型多功能跑步机实现在不同工作模式间的转换。应用有限元仿真分析软件对居家型多功能跑步机各构件的静态受力进行分析。结果表明：跑步机的结构强度合格，结构可实现转换，结构整体设计合理。随着家庭体育观念的不断普及和人们生活方式的改变，居家型多功能跑步机的设计将会为家庭体育健身器材提供参考。

文中虽然对居家型多功能跑步机的结构及材料选择进行了仿真模拟和有限元分析，证实了结构的合理性，但是在智能控制方面仍需不断探索与改进。

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