陳 鑄 張 建

?

基于Adams運(yùn)動員蘇欣悅的鐵餅出手時的動力學(xué)仿真

陳 鑄 張 建

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

為提高鐵餅競技的水平，簡化投擲鐵餅的實驗過程，運(yùn)用Adams、Excel和AutoCAD軟件聯(lián)合對投擲鐵餅進(jìn)行仿真分析，直觀地觀察了投擲鐵餅的運(yùn)行軌跡，對出手角度、出手速度和出手高度的仿真數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：出手高度，實際數(shù)據(jù)1.58m，仿真數(shù)據(jù)1.58m，無誤差；投擲距離，實際數(shù)據(jù)64.27m，仿真數(shù)據(jù)63.93m，誤差為0.5%；出手角度，實際數(shù)據(jù)32.2°，仿真數(shù)據(jù)32.6°，誤差為1.2%，實際結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。因此，所用方法精度高，可為教練員科學(xué)訓(xùn)練提供理論指導(dǎo)，為運(yùn)動員的訓(xùn)練與發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。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),很便捷地計算出相應(yīng)條件下鐵餅的投擲距離。

Adams；鐵餅；動力學(xué)；仿真

鐵餅運(yùn)動具有集技能、力量、速度和心理于一體的體育競技項目，在鐵餅的實際賽事中，最遠(yuǎn)的投擲距離是核心問題，當(dāng)鐵餅的出手高度和出手速度一定時，鐵餅的最優(yōu)軌跡是實現(xiàn)這一核心問題的最佳方法。如何獲得鐵餅最遠(yuǎn)距離的投擲，已成為專家和學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問題[1-3]。

鐵餅運(yùn)動員的訓(xùn)練階段具有多元化的特點(diǎn)，多元化的特點(diǎn)導(dǎo)致運(yùn)動員在訓(xùn)練階段的側(cè)重點(diǎn)不一樣。第一，由于鐵餅運(yùn)動員訓(xùn)練階段及身體機(jī)能的不同，形成鐵餅運(yùn)動員發(fā)展之間的差異；第二，由于運(yùn)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，也會形成鐵餅運(yùn)動員訓(xùn)練階段的差異。面對上述差異，教練員應(yīng)根據(jù)實際情況為鐵餅運(yùn)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(yùn)動員訓(xùn)練與比賽中的相關(guān)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)運(yùn)動員的鐵餅技術(shù)，提高運(yùn)動員的競技水平，為運(yùn)動員的訓(xùn)練與發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。本文以蘇欣悅鐵餅投擲成績?yōu)?4.27米的最后出手階段的參數(shù)為研究對象，運(yùn)用Adams 、Excel和AutoCAD軟件聯(lián)合對投擲鐵餅進(jìn)行仿真分析，對進(jìn)一步提高鐵餅運(yùn)動的教學(xué)、訓(xùn)練有一定指導(dǎo)作用[3-5]。

1 鐵餅投擲的原理圖

如圖1所示，運(yùn)動員通過持握鐵餅——準(zhǔn)備——旋轉(zhuǎn)——用力——平衡身體后，以出手速度V將鐵餅從C點(diǎn)投擲出，鐵餅在空氣中做拋體運(yùn)動，在空氣升力、空氣阻力和重力加速度的作用下，鐵餅落在D點(diǎn)。A點(diǎn)為運(yùn)動員前腳著力點(diǎn)， B點(diǎn)的為鐵餅投擲起始位處的正投影點(diǎn)，C點(diǎn)為鐵餅的投擲起始位置，D點(diǎn)為鐵餅落地的結(jié)束位置，BC為投擲起始位置的高度h，α為出手角度，L1為運(yùn)動員前腳與鐵餅的投擲起始位置之間的水平距離，L2為鐵餅投擲起始位置到鐵餅落地位置的水平距離。

圖1 投擲鐵餅原理

2 仿真模型的建立

Solidworks和Adams的系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系都是笛卡爾坐標(biāo)系，因此建立的模型導(dǎo)入時視圖方向不發(fā)生變化。本文采用Solidworks軟件建立1:1正式比賽中使用的女子標(biāo)準(zhǔn)鐵餅的實體仿真模型，以鐵餅的中心建立直角坐標(biāo)系，該模型由鐵餅和地面組成，將建好的模型以parasold(x_t)格式導(dǎo)入Adams中，如圖2所示，仿真模型中part2為鐵餅，part3為地面，定義材料屬性并賦值，投擲鐵餅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，鐵餅和地面之間為接觸副，沿Y軸負(fù)方向施加重力加速度，最后施加空氣升力、空氣阻力以及鐵餅和地面之間的摩擦力[6-10]，Adams單位采用MMKS制。

圖2 仿真模型

表1 出手時投擲鐵餅的基本參數(shù)

參數(shù)鐵餅密度kg·m3鐵餅的重量kg鐵餅的直徑m出手高度m出手角度°合速度m/s自轉(zhuǎn)角速度rad/s投擲實際距離m 取值1.5×10310.1811.5832.224.05458.664.27

3 仿真分析

該仿真過程的時間為5s，仿真步數(shù)為1000，圖3為鐵餅做拋物運(yùn)動時的水平方向的位移圖，從圖3中可以看出，當(dāng)鐵餅運(yùn)行到2.84s時，鐵餅的拋物運(yùn)動結(jié)束，從投擲的起始位置到結(jié)束位置的水平距離為63.93m。圖4為鐵餅做拋物運(yùn)動時的豎直方向上的位移圖，當(dāng)鐵餅運(yùn)行到1.36s時，鐵餅運(yùn)行至最高點(diǎn)，最高點(diǎn)距鐵餅投擲起始位置的垂直距離為8.95m，鐵餅運(yùn)行到2.84s時，鐵餅運(yùn)行至最低點(diǎn)，最低點(diǎn)距鐵餅投擲起始位置的垂直距離為1.58m，然后鐵餅和地面發(fā)生碰撞接觸，碰撞后鐵餅反彈后又一次和地面碰撞，最后在地面上滾動，在與地面的摩擦力和空氣阻力作用下最終停止，鐵餅運(yùn)行停止前的軌跡局部放大如圖5所示。

圖3 X方向的位移

圖4 Y方向的位移

4 軌跡曲線的創(chuàng)建及導(dǎo)入

在Adams中創(chuàng)建鐵餅的marker點(diǎn)（在鐵餅質(zhì)心處）相對于地面的軌跡曲線，軌跡曲線如圖 6所示，修改鐵餅的軌跡曲線數(shù)據(jù)的屬性并以.txt格式保存，由于Adams和Excel中的曲線無法測量并標(biāo)注關(guān)鍵尺寸，因此將Excel生成鐵餅軌跡相對應(yīng)的坐標(biāo)值導(dǎo)入到AutoCAD中，最后對AutoCAD中生成軌跡曲線進(jìn)行關(guān)鍵尺寸測量并標(biāo)注，如圖7所示。從圖7可以看出，出手高度為1.58m，出手角度為32.6°，投擲距離為63.93m。

圖5 鐵餅軌跡局部放大

圖6 鐵餅軌跡

圖7 軌跡測量標(biāo)注

5 結(jié)論

本文運(yùn)用ANSYS、Excel和AutoCAD軟件對投擲鐵餅進(jìn)行仿真分析，分析了出手角度、出手速度及出手高度在鐵餅投擲過程中進(jìn)行仿真分析。得到以下結(jié)論：出手高度，實際數(shù)據(jù)1.58m，仿真數(shù)據(jù)1.58m，無誤差；投擲距離，實際數(shù)據(jù)64.27m，仿真數(shù)據(jù)63.93m，誤差為0.5%；出手角度，實際數(shù)據(jù)32.2°，仿真數(shù)據(jù)32.6°，誤差為1.2%。

計算結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，上述誤差主要是由測量誤差、運(yùn)動員的上肢全長、鐵餅的自轉(zhuǎn)加速度及空氣對鐵餅阻力和升力大小的設(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鐵餅時出手高度、出手角度及出手速度對投擲距離的影響，有利于教練員運(yùn)用科學(xué)技術(shù)手段，在實際訓(xùn)練的過程中，并根據(jù)運(yùn)動員訓(xùn)練與比賽中的相關(guān)數(shù)據(jù)來改善運(yùn)動員的鐵餅技術(shù)，提高運(yùn)動員的競技水平。為探索運(yùn)動員投擲鐵餅過程提供了一種新方法。有必要進(jìn)行深入研究投擲過程中各關(guān)節(jié)的參數(shù)和出手時間、空氣對鐵餅的升力及鐵餅的自轉(zhuǎn)角速度等參數(shù)對鐵餅投擲距離的影響[1-6]。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)條件下的鐵餅投擲距離, 可有效快捷地研究投擲鐵餅出手時的參數(shù)規(guī)律。

[1] 袁飛.我國優(yōu)秀女子鐵餅運(yùn)動員2015年冬訓(xùn)期間生理生化指標(biāo)變化特征與訓(xùn)練負(fù)荷關(guān)系的研究[D].西安體育學(xué)院（運(yùn)動訓(xùn)練系）,2017．

[2] 易文娟.我國田徑競技實力發(fā)展態(tài)勢及對策研究——以第3～15屆世界田徑錦標(biāo)賽為視角[D].江西師范大學(xué)（體育學(xué)院）,2017．

[3] 史春成.我國優(yōu)秀女子鐵餅運(yùn)動員投擲關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)動學(xué)分析[D].成都體育學(xué)院（體育教育訓(xùn)練二系），2017.

[4]張敏.我國部分優(yōu)秀女子鐵餅運(yùn)動員最后用力技術(shù)的三維運(yùn)動學(xué)特征分析[D].天津體育學(xué)院（運(yùn)動訓(xùn)練科學(xué)學(xué)院）,2017．

[5] 陸康寧.對江西省青少年業(yè)余體校田徑投擲項目開展現(xiàn)狀的研究[D].華東交通大學(xué)（體育與健康學(xué)院）,2017．

[6] 李玉章,劉宇,劉卉高，等.水平鐵餅運(yùn)動員旋轉(zhuǎn)中的系統(tǒng)角動量特征研究[J].體育科學(xué)，2017，37（10）：59-64.

[7] 秦劍杰,李繼東,張維壽，等.我國女子鐵餅運(yùn)動員蘇欣悅投擲技術(shù)的運(yùn)動學(xué)分析[J].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）, 2016，32（2）：84-89.

[8]石成銀,林輝杰,李美霞.優(yōu)秀女子鐵餅運(yùn)動員運(yùn)動協(xié)調(diào)靈活性特征研究[J].西安體育學(xué)院學(xué)報，2016，33（2）：244-252.

[9]馬紅霞.優(yōu)秀鐵餅運(yùn)動員李艷鳳投擲技術(shù)過程優(yōu)勢特征分析[J].西安體育學(xué)院學(xué)報，2014，31（5）：627-632.

[10] 吳純君, 王國平,王全先，等.基于ADAMS的十環(huán)過山車動力學(xué)模型的建立[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2016，29（145）：24-26．

Dynamics Simulation of the DiscusThrowing of Athlete SU Xinyue based on Adams

CHEN Zhu, etal.

(Bijie Polytechnic School, Bijie 551700, Guizhou, China)

陳鑄（1972-），本科，講師，研究方向：體育教學(xué)。