吳紅儒， 王 虹

(1.武漢體育學(xué)院 研究生院，湖北 武漢 430079; 2.武漢體育學(xué)院 體育工程與信息技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

發(fā)光型塑格拼裝地板的力學(xué)性能研究

吳紅儒1,2， 王 虹2

(1.武漢體育學(xué)院 研究生院，湖北 武漢 430079; 2.武漢體育學(xué)院 體育工程與信息技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

塑格拼裝地板具有環(huán)保耐用、物美價(jià)廉以及運(yùn)動(dòng)性能卓越等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于體育場(chǎng)地。為了探究發(fā)光型塑格拼裝地板的力學(xué)性能，針對(duì)發(fā)光型塑格拼裝地板和普通塑格拼裝地板分別建立三維模型，并運(yùn)用有限單元法及數(shù)值模擬軟件ANSYS分別進(jìn)行力學(xué)性能研究。根據(jù)簡(jiǎn)化條件，仿真得到發(fā)光型塑格拼裝地板和普通塑格拼裝地板在正常使用過程中的力學(xué)性能參數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明發(fā)光型塑格拼裝結(jié)構(gòu)符合使用標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)研究旨在為體育地板事業(yè)和環(huán)境友好型社會(huì)的發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。

體育場(chǎng)地；體育地板；體育器材；發(fā)光型；塑格拼裝地板；力學(xué)性能；數(shù)值分析

隨著科技的發(fā)展及大眾健身要求的提高，體育地板的標(biāo)準(zhǔn)和品質(zhì)越來越被社會(huì)注重。體育地板的整體結(jié)構(gòu)及表層性能正向著科技含量高、運(yùn)動(dòng)和保護(hù)性能好以及使用壽命長(zhǎng)的方向發(fā)展。體育場(chǎng)館經(jīng)營(yíng)的多元化，要求體育地板具備更多功能，以滿足不同體育活動(dòng)的需求[1]。

體育地板作為體育場(chǎng)地最重要的功能單元，在保護(hù)運(yùn)動(dòng)員、提高鍛煉效果和運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)等方面都起著至關(guān)重要的作用[1]。設(shè)計(jì)生產(chǎn)體育設(shè)施的首要原則是保障運(yùn)動(dòng)安全，而在提倡節(jié)約型社會(huì)的今天，室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地照明設(shè)施極少，這給夜間參加戶外鍛煉的市民造成極大的不便，市民易摔跤造成傷害[2-3]。針對(duì)夜間室外場(chǎng)地缺乏光源的問題，2016年體育工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文基于儲(chǔ)能發(fā)光材料自發(fā)光特性，提出一種具有夜光功能的發(fā)光模塊，并通過榫卯拼接嵌入塑格拼裝地板，完成發(fā)光型塑格拼裝地板的整體設(shè)計(jì)，這為室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地提供了一種節(jié)能舒適、安全可靠的發(fā)光型體育地板,保障夜間運(yùn)動(dòng)安全[1]。

體育地板優(yōu)良的力學(xué)性能是安全運(yùn)動(dòng)的有效保障，而塑格拼裝地板力學(xué)性能很大程度上取決于地板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式，因此研究體育地板結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能十分必要。對(duì)于發(fā)光型塑格拼裝地板，同樣需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究。

體育地板力學(xué)性能的研究是通過實(shí)驗(yàn)法或者數(shù)值分析法，對(duì)固定荷載下地板的總變形、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變進(jìn)行分析。本文基于數(shù)值分析法應(yīng)用ANSYS軟件，研究實(shí)際使用中發(fā)光型塑格拼裝地板相較于普通塑格拼裝地板的力學(xué)性能。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

發(fā)光型塑格拼裝地板，通過普通塑格面板和面積較小的發(fā)光面板自由組合，實(shí)現(xiàn)體育地板發(fā)光功能。所有面板以聚丙烯為原材料，發(fā)光面板是在其基礎(chǔ)上摻入儲(chǔ)能自發(fā)光材料制成。

結(jié)合實(shí)際使用中地板主要承受切向力的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)數(shù)值模擬方案。

普通塑格拼裝地板(A組)由9塊普通塑格面板拼裝組成，如圖1(a)所示。發(fā)光型塑格拼裝地板(B組)包括25塊發(fā)光面板和8塊普通塑格面板，如圖1(b)所示。A組以位于模型正中心的普通塑格面板A1為研究對(duì)象，在B組中，B1作為研究對(duì)象，包括25塊發(fā)光面板。添加除研究對(duì)象外的8塊普通塑格面板，是考慮到邊界效應(yīng)對(duì)數(shù)值模擬的影響。

圖1 普通與發(fā)光型塑格拼裝地板簡(jiǎn)化模型

1.2 有限元分析

有限元分析程序包括前處理、計(jì)算求解和后處理。前處理是建立有限元模型，設(shè)置材料特性、單元?jiǎng)澐?、設(shè)置邊界條件及負(fù)載條件。計(jì)算求解包括矩陣計(jì)算等，后處理是將得到的結(jié)果數(shù)據(jù)，用圖形界面以各種不同的表示方式如等位圖、等應(yīng)力圖等表示出來。根據(jù)分組，分別進(jìn)行數(shù)值分析。

1.2.1 幾何建模

SolidWorks是目前被廣泛采用的CAD/CAE/CAM三維軟件，利用SolidWorks建?？梢跃_、真實(shí)構(gòu)建物理原型，保證仿真精度。文中應(yīng)用Solid Works 2012建立A組和B組的3d模型，并根據(jù)數(shù)值分析建模要求進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如圖1所示。假設(shè)普通及發(fā)光型塑格拼裝地板均采用聚丙烯，且聚丙烯為各向同性。具體尺寸以及材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型尺寸參數(shù)與聚丙烯材料參數(shù)

長(zhǎng)(mm)寬(mm)高(mm)泊松比彈性模量(MPa)普通塑格拼裝面板750[2]750[2]15[2]發(fā)光型塑格拼裝面板750[2]750[2]15[2]0．41[12]896[12]

1.2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且規(guī)則的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格精度要求，以及六面體網(wǎng)格在計(jì)算精度、變形特性、劃分網(wǎng)格數(shù)量和抗畸變程度等方面的明顯優(yōu)勢(shì)。采用六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分法，在Meshing模塊中進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量控制，并得到六面體和四面體的混合網(wǎng)格模型，如圖2所示，A組模型單元數(shù)374 031，節(jié)點(diǎn)1 619 710，B組模型單元數(shù)386 020，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 656 361，兩組模型節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量相近。

進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，分析網(wǎng)格質(zhì)量柱狀圖。柱狀圖衡量準(zhǔn)則為網(wǎng)格的邊長(zhǎng)比，橫坐標(biāo)即為邊長(zhǎng)比比值，橫坐標(biāo)由0到1，網(wǎng)格質(zhì)量由壞到好，縱坐標(biāo)顯示網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格數(shù)量與矩形條成正比，圖中的值越接近1，說明網(wǎng)格質(zhì)量越好[9]。如圖3所示，可知A組與B組網(wǎng)格質(zhì)量值集中在0.95，網(wǎng)格質(zhì)量?jī)?yōu)良。

圖2 研究對(duì)象網(wǎng)格模型

圖3 整體模型網(wǎng)格質(zhì)量柱狀圖

1.2.3 邊界條件

體育地板日常使用中，跨步急停、急停轉(zhuǎn)身及急停跳投等戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作使地板承受很大的切向力，而切向力是影響地板穩(wěn)定性的主要因素，因此假設(shè)基本工況為研究對(duì)象受到相鄰兩塊承受切向力F的塑格面板C1和C2的作用，根據(jù)牛頓第三定律，反作用力F′作用在研究對(duì)象上，如圖4(a)所示，其中P為F′的均布力形式。切向力F由使用者質(zhì)量M、地板摩擦系數(shù)μ決定，具體數(shù)據(jù)如下：使用者平均體重M=90kg,g=10N/kg,μ=0.5。(現(xiàn)有體育場(chǎng)地建設(shè)摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為不高于0.5，取最大值[1])則切向力擬采用數(shù)值為：

F′=Mg′=450N

(1)

根據(jù)公式可知均布力:

P=F′/S=0.12MPa

(2)

根據(jù)ANSYS邊界條件設(shè)置特點(diǎn)，對(duì)模型底面在-Z方向進(jìn)行約束，參數(shù)設(shè)置為x=free,y=free,z=0,并對(duì)研究對(duì)象X方向上的兩個(gè)側(cè)面添加載荷P，如圖4所示。

圖4 邊界條件設(shè)置

邊界條件設(shè)置完成后，添加總變形、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力三個(gè)待求解項(xiàng)，并進(jìn)行求解計(jì)算。通過ANSYSWorkbench后處理，可得模擬工況下，研究對(duì)象A1和B1的總變形、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力分布，如圖5～7所示。圖8～10分別是整體模型A和B的力學(xué)分布。

圖5 研究對(duì)象總變形云圖

圖6 研究對(duì)象等效應(yīng)變?cè)茍D

圖7 研究對(duì)象等效應(yīng)力云圖

圖8 整體模型總變形云圖

圖9 整體模型等效應(yīng)力云圖

圖10 整體模型等效應(yīng)力云圖

2 研究結(jié)果與分析

立足于研究?jī)煞N地板結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的分布規(guī)律以及數(shù)值變化情況，分別對(duì)研究對(duì)象A1與B1，整體模型A與B進(jìn)行有限元計(jì)算。對(duì)比后顯示普通塑格拼裝地板與發(fā)光型塑格拼裝地板的結(jié)構(gòu)在特定切向力作用下，總變形、等效應(yīng)力以及等效應(yīng)變的分布特點(diǎn)一致，數(shù)值相近，說明發(fā)光面板模塊具有與普通面板相同的力學(xué)性能。

2.1 研究對(duì)象(A1/B1)結(jié)果分析

從圖5可以看出，最小總變形分布在B1面板中心部分，為2.9×10-5mm,這與普通地板結(jié)構(gòu)A1最小總變形分布在面板中心的結(jié)論一致，原因是塑格面板在形狀急劇變化的榫卯結(jié)構(gòu)存在剛性約束，應(yīng)力集中明顯，而面板中心不具備應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)條件。同時(shí)，B1總變形整體分布呈現(xiàn)由中心向X軸方向遞增擴(kuò)散的規(guī)律，最大值分布在榫卯拼裝結(jié)構(gòu)處，這與普通地板結(jié)構(gòu)A1分布特征一致。從圖6和圖7分別可以看出，A1和B1的等效應(yīng)變和等效應(yīng)力，在Y軸方向上呈現(xiàn)出較為微弱的從中間向兩邊遞減擴(kuò)散趨勢(shì)，最小等效應(yīng)變和等效應(yīng)力出現(xiàn)在Y軸方向上的榫卯結(jié)構(gòu)。這與我們仿真計(jì)算時(shí)作用力施加的方向有關(guān)，如果我們改變切向力施加方向?yàn)閅方向，則最小等效應(yīng)變和等效應(yīng)力出現(xiàn)在X軸方向上的榫卯結(jié)構(gòu)。因此在進(jìn)行塑格拼裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)特別需要注意拼裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，優(yōu)先基于拼裝連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能設(shè)計(jì)和選擇材料。對(duì)比兩組計(jì)算數(shù)據(jù)，從表2計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表可以看出，總變形變化百分比為負(fù)數(shù)，分別為-0.04%，[4]-58.28%，說明B1的結(jié)構(gòu)相較于A1，在一定程度上利于提高結(jié)構(gòu)的抗變形能力。等效應(yīng)力以及等效應(yīng)變的變化百分比在0.5%左右，說明A1和B1的等效應(yīng)力及等效應(yīng)變數(shù)值非常接近，但普通地板結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力以及等效應(yīng)變極值要小于發(fā)光地板結(jié)構(gòu)。這表明總面積相同時(shí)，若干發(fā)光面板拼裝的地板結(jié)構(gòu)在總變形方面略優(yōu)于單塊普通地板結(jié)構(gòu)，在等效應(yīng)力以及等效應(yīng)變極值方面略遜于單塊普通地板結(jié)構(gòu)。

表2 研究對(duì)象結(jié)果統(tǒng)計(jì)

研究對(duì)象值類型B1較A1變化百分比總變形(mm)最大-0．04最小-58．28等效應(yīng)變(mm)最大0最小0．648等效應(yīng)力(MPa)最大0．34最小0．45

2.2 整體模型(A/B)結(jié)果分析

A組和B組的整體模型區(qū)別在于研究對(duì)象的不同。

從圖8可以看出，B組中最大總變形出現(xiàn)在X軸方向上榫卯拼裝結(jié)構(gòu)的中間位置，達(dá)到3.65×10-3mm，最小總變形分布在模型四個(gè)邊角和中心研究對(duì)象上，為2.9×10-5mm。在不考慮四個(gè)邊角的情況下，整體分布呈現(xiàn)出由模型中心沿X軸方向遞增擴(kuò)散的規(guī)律，四個(gè)邊角則呈現(xiàn)越靠近模型中心數(shù)值越大的特點(diǎn)，這與特定切向力的加載方向和拼裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中有關(guān)。同時(shí)，B組與A組普通塑格拼裝地板總變形分布特征一致。從圖9和圖10分別可以看出，A和B的等效應(yīng)變和等效應(yīng)力在Y軸方向上，呈現(xiàn)出由中間向兩邊遞減擴(kuò)散趨勢(shì)，最小等效應(yīng)變和等效應(yīng)力主要出現(xiàn)在Y軸方向的榫卯結(jié)構(gòu)部分。從表3可以看出，除最小總變形外，變化百分比在0.5%左右，說明B與A的力學(xué)性能水平一致。最小總變形為-58.28%分布在研究對(duì)象上，說明嵌入的發(fā)光面板一定程度上減少了結(jié)構(gòu)變形量，增大了等效應(yīng)力以及等效應(yīng)變極值。

表3 整體模型統(tǒng)計(jì)表

值類型B較A變化百分比總變形(mm)最大0最小-58．28等效應(yīng)變(mm)最大0最小0等效應(yīng)力(MPa)最大0．34最小0．45

3 結(jié)論

根據(jù)塑格拼裝類地板在體育運(yùn)動(dòng)中的工作條件，在合理假設(shè)基礎(chǔ)上建立了三維模型，并應(yīng)用有限元法，對(duì)跨步急停等戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作下，承受了巨大切向力的發(fā)光型與普通塑格拼裝地板，利用分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值分析，模擬了特定條件下地板的最大變形，等效應(yīng)力以及等效應(yīng)變。

仿真研究表明，若干發(fā)光面板拼裝的發(fā)光模塊，與相同面積的單塊普通面板模塊相比，二者力學(xué)性能一致，但前者在減少總變形方面略有優(yōu)勢(shì)，在等效應(yīng)力以及等效應(yīng)變極值方面略遜于后者。其次，發(fā)光型與普通塑格拼裝結(jié)構(gòu)具有相同的力學(xué)性能及分布特點(diǎn)，且在榫卯拼裝結(jié)構(gòu)部分，應(yīng)力集中明顯。研究顯示發(fā)光面板的嵌入不會(huì)降低塑格拼裝地板的力學(xué)性能，進(jìn)而論證了發(fā)光型塑格拼裝結(jié)構(gòu)是符合使用標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。計(jì)算結(jié)果能反映發(fā)光型塑格拼裝地板的力學(xué)性能狀況，從而指導(dǎo)和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

體育器材的力學(xué)性能是影響體育賽事成績(jī)的客觀因素，國(guó)內(nèi)外體育領(lǐng)域的科研工作者要進(jìn)一步運(yùn)用數(shù)值分析法，對(duì)體育器材進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)開發(fā)。

[1] 陳豪杰,李黎.體育地板的功能指標(biāo)及我國(guó)體育地板的現(xiàn)狀[J].木材加工機(jī)械,2006(4):44-46.

[2] 吳紅儒,王虹.發(fā)光型塑格拼裝地板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[C].第七屆中國(guó)體育工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.上海,2016.

[3] 王虹,鄭偉濤,王季安,等.一種用于塑格拼接地板的發(fā)光組合標(biāo)識(shí)條[P].中國(guó),201420395765.5,2014-12-17.

MechanicalPropertiesofGleamyPlasticAssembledFloor

WU Hongru1,2, WANG Hong2

(1.Graduate Dept., Wuhan Sports Univ., Wuhan 430079, China; 2.Sports Engineering and Information Technology Dept., Wuhan Sports Univ., Wuhan 430079, China)

The plastic assembled floor is widely used in sports stadiums in China for its durability, low cost and good function. The paper constructs 3D models of gleamy plastic assembled and traditional plastic assembled floor and uses finite element method and ANSYS to analyse their mechanical properties. Through comparison of the analysis results, the paper points out that the the structure of gleamy plastic assembled floor is more up to the standard.

sports stadium; sports floor; sports facility； gleamy type; plastic assembled floor; mechanical function; data analysis

G80-05

A

1672-268X(2017)05-0087-04

2017-08-23)

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃(Q20154101)。

吳紅儒(1993-)，碩士研究生，研究方向：體育工程。