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        基于Adams鉛球的最優(yōu)軌跡的仿真分析

        2018-08-22 08:21:50鑄,張
        運動 2018年10期
        關(guān)鍵詞:鉛球軌跡角度

        陳 鑄,張 建

        (畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校,貴州 畢節(jié) 551700)

        鉛球運動具有集技能、力量、速度和心理于一體的體育競技項目,在鉛球的實際賽事中,最遠的投擲距離是核心問題,當(dāng)鉛球的出手高度和出手速度一定時,鉛球的最優(yōu)軌跡是實現(xiàn)這一核心問題的最佳方法。如何獲得鉛球最遠距離的投擲,已成為專家和學(xué)者們研究的熱點問題。鉛球運動員的訓(xùn)練階段具有多元化的特點,多元化的特點導(dǎo)致運動員在訓(xùn)練階段的側(cè)重點不一樣。(1)由于鉛球運動員訓(xùn)練階段及身體機能的不同,形成鉛球運動員發(fā)展之間的差異;(2)由于運動員個體之間原有的技能、職業(yè)情感與心理之間存在差異,也會形成鉛球運動員訓(xùn)練階段的差異。面對上述差異,教練員應(yīng)根據(jù)實際情況為鉛球運動員的訓(xùn)練提供有針對性的培養(yǎng)計劃和方案,并根據(jù)運動員訓(xùn)練與比賽中的相關(guān)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)運動員的鉛球技術(shù),提高運動員的競技水平,為運動員的訓(xùn)練與發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。本文運用Adams 、Excel和AutoCAD軟件聯(lián)合對投擲鉛球進行仿真分析,對進一步提高鉛球運動的教學(xué)、訓(xùn)練有一定指導(dǎo)作用。

        1 鉛球投擲的原理圖

        如圖1所示,運動員通過持握球——準備——滑步——用力——平衡身體后,以出手速度V將鉛球從C點投擲出,鉛球在空氣中做拋體運動,在空氣阻力和重量加速度的作用下,鉛球落在D點。A點為運動員前腳著力點, B點的為鉛球投擲起始位處的正投影點,C點為鉛球的投擲起始位置,D點為鉛球落地的結(jié)束位置,BC為投擲起始位置的高度h,α為出手角度,β為地斜角,L1為運動員前腳與鉛球的投擲起始位置之間的水平距離,L2為鉛球投擲起始位置到鉛球落地位置的水平距離。

        2 仿真模型的建立

        Solidworks和Adams的系統(tǒng)默認坐標系都是笛卡爾坐標系,因此建立的模型導(dǎo)入時視圖方向不發(fā)生變化。文采用Solidworks軟件建立1:1實體正式比賽中使用的男子標準鉛球的仿真模型,以鉛球的中心建立直角坐標系,該模型由鉛球和地面組成,將建好的模型以parasold(x_t)格式導(dǎo)入Adams中(圖2),仿真模型中part 2為鉛球、part 3為地面,定義材料屬性并賦值。投擲鉛球的仿真模型的主要參數(shù)取值如表1所示。然后給仿真模型施加約束和載荷,地面和大地之間為固定副,鉛球和地面之間為接觸副,根據(jù)公式45°-β/2計算出出手角度,沿Y軸負方向施加重力加速度,最后施加空氣阻力以及鉛球和地面之間的摩擦力,Adams單位采用MMKS制。

        圖1 投擲鉛球原理圖

        3 仿真分析

        此仿真過程的時間為5s,仿真步數(shù)為1 000,圖3為鉛球做拋物運動時的水平方向的位移圖。從圖3中可以看出,當(dāng)鉛球運行到2.1s時,鉛球的拋物運動結(jié)束,從投擲的起始位置到結(jié)束位置的水平距離為21.58m,然后鉛球和地面發(fā)生碰撞接觸,碰撞后鉛球在與地面的摩擦力和空氣阻力作用下運行停止,運行距離為9.8m。圖4為鉛球做拋物運動時的豎直方向上的位移圖。當(dāng)鉛球運行到0.95s時,鉛球運行至最高點,最高點距鉛球投擲起始位置的垂直距離為4.5m,鉛球運行到2.1s時,鉛球運行至最低點,最低點距鉛球投擲起始位置的垂直距離為2m。

        圖2 仿真模型

        表1 投擲鉛球的基本參數(shù)

        圖3 X方向的位移圖

        圖4 Y方向的位移圖

        4 軌跡曲線的創(chuàng)建及導(dǎo)入

        在Adams中創(chuàng)建鉛球的Marker點相對于地面的軌跡曲線,軌跡曲線如圖 5所示。修改鉛球的軌跡曲線數(shù)據(jù)的屬性并以.txt格式保存,由于在Adams和Excel中的曲線無法測量并標注關(guān)鍵尺寸,因此將Excel生成鉛球軌跡相對應(yīng)的坐標值導(dǎo)入到AutoCAD中,最后對AutoCAD中生成軌跡曲線進行關(guān)鍵尺寸測量并標注,如圖6所示。從圖6可以看出,出手高度為2m,出手角度為42.435°,投擲距離為21.58m,地斜角為5.13°,鉛球落地后的運行距離為9.8m。

        5 結(jié) 論

        本文運用ANSYS、Excel和AutoCAD軟件對投擲鉛球進行仿真分析,分析了出手角度、出手速度及出手高度在鉛球投擲過程中對投擲距離的影響。得到以下結(jié)論:出手高度,理論數(shù)據(jù)2m,仿真數(shù)據(jù)2m,無誤差;投擲距離,理論數(shù)據(jù)22m,仿真數(shù)據(jù)21.58m,誤差為1.9%;出手角度,理論數(shù)據(jù)42.405°,仿真數(shù)據(jù)42.435°,誤差為0.07%;地斜角,理論數(shù)據(jù)5.19°,仿真數(shù)據(jù)5.13°,誤差為1.2%。計算結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。上述誤差主要是由空氣對鉛球阻力大小的設(shè)定值引起,所用方法精度高,可為教練員科學(xué)訓(xùn)練提供理論依據(jù)。本仿真有助于深入了解投擲鉛球時出手高度、出手角度及出手速度對投擲距離的影響,有利于教練員運用科學(xué)技術(shù)手段,在實際訓(xùn)練的過程中,并根據(jù)運動員訓(xùn)練與比賽中的相關(guān)數(shù)據(jù)來改善運動員的鉛球技術(shù),提高運動員的競技水平。為探索大跨運動員投擲鉛球過程提供了一種新方法。有必要進行深入研究投擲過程中各關(guān)節(jié)的參數(shù)和出手時間等參數(shù)對鉛球投擲距離的影響,本仿真還有待進一步的試驗驗證。此方法還可通過改變出手高度、出手角度和出手速度的不同參數(shù),很方便的計算出相應(yīng)條件下的鉛球投擲距離, 可有效快捷地研究投擲鉛球參數(shù)規(guī)律。

        圖5 鉛球軌跡圖

        圖6 軌跡測量標注圖

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