嚴(yán)舒芯 程磊 林青
摘? 要:羽毛球拍網(wǎng)面作為球拍的重要組成部分,其性能直接影響擊球的效果。該文利用SolidWorks軟件進(jìn)行羽毛球拍網(wǎng)面的建模,并應(yīng)用ANSYS WorkBench軟件對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析,從而為進(jìn)一步對(duì)網(wǎng)拍類(lèi)球拍網(wǎng)面的研究提供了一種有效方法,并為專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員和業(yè)余選手了解拍面性能,發(fā)揮球拍的最佳效果提供了一定的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞:三維建模? 有限元? 仿真分析
中圖分類(lèi)號(hào):O343.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1672-3791(2019)04(c)-0175-03
Abstract: The badminton racket net surface is an important part of the racket, and its performance directly affects the effect of hitting the ball. In this paper, the SolidWorks software is used to model the badminton racket mesh surface, and the modal analysis and structural static analysis are performed by ANSYS WorkBench software, which provides an effective method for further research on the web surface of net rackets . Moreover, the paper provides a theoretical basis for the best results of the racket for professional athletes and amateurs to understand the performance of the racket face.
Key Words: 3D modeling; Finite element; Simulation analysis
隨著人民生活水平不斷提高,體育活動(dòng)越來(lái)越受到人們的青睞,尤其羽毛球運(yùn)動(dòng)普及較廣,成為老少皆宜的運(yùn)動(dòng)形式。出于對(duì)羽毛球運(yùn)動(dòng)的喜愛(ài),人們對(duì)羽毛球球拍的選擇越來(lái)越重視,而對(duì)于職業(yè)運(yùn)動(dòng)員或業(yè)余選手來(lái)說(shuō),器材裝備的質(zhì)量和性能是其奪取比賽優(yōu)勝的重要保障,因此對(duì)體育器材的研究也越來(lái)越廣泛和深入。以羽毛球拍為例, 在球拍的研發(fā)過(guò)程中, 不僅需要綜合考慮球拍的重量、平衡、硬度、彈性等重要因素[1],尤其需要研究球拍網(wǎng)面的性能。該文運(yùn)用有限元分析方法對(duì)羽毛球拍網(wǎng)面的性能進(jìn)行仿真分析,以期為專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員了解拍面性能,發(fā)揮球拍的最佳效果以提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)提供理論依據(jù)。
1? 有限元法及有限元分析軟件
1.1 有限元法
有限元法是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行模擬,通過(guò)簡(jiǎn)單而又相互作用的有限數(shù)量的單元,去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。由于很多實(shí)際問(wèn)題難以得到理論解,而有限元法不僅計(jì)算精度高,而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀,因而成為有效的工程分析手段。有限元法的求解過(guò)程,如圖1所示。
網(wǎng)面在擊球時(shí),因?yàn)榻佑|時(shí)間短,我們無(wú)法以肉眼看到網(wǎng)面自由振動(dòng)的振型以及受力后網(wǎng)面變形量的大小。該文利用有限元法,通過(guò)有限元分析軟件ANSYS中的WorkBench對(duì)網(wǎng)面進(jìn)行模態(tài)和靜力結(jié)構(gòu)的仿真分析。
1.2 有限元分析軟件ANSYS簡(jiǎn)介
ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析(FEA)軟件,其在機(jī)械、航空、土木、電子等領(lǐng)域被廣泛使用[2]。軟件由前處理、分析計(jì)算和后處理三部分組成,具體流程如圖2所示。ANSYS中的WorkBench是一種仿真平臺(tái)模塊,可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、模態(tài)分析、熱分析、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析等。該文針對(duì)羽毛球拍網(wǎng)面進(jìn)行模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析。
2? 羽毛球拍網(wǎng)面模態(tài)分析
模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析中最為基礎(chǔ)的一種,用于確定機(jī)械零部件的振動(dòng)特性,包括結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,它們是結(jié)構(gòu)承受動(dòng)態(tài)載荷設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。該文應(yīng)用ANSYS的模態(tài)分析功能,對(duì)有預(yù)應(yīng)力的網(wǎng)面振動(dòng)進(jìn)行模態(tài)分析。
由于在對(duì)自由振動(dòng)的系統(tǒng)求解固有頻率和振型時(shí),阻尼的影響比較遲緩即可忽略不計(jì),所以該文中用ANSYS在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)選擇無(wú)阻尼模態(tài)分析。另外實(shí)際的分析對(duì)象是無(wú)限維的,所以其模態(tài)具有無(wú)窮階,但是對(duì)于運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用的只是前面的幾階模態(tài)。
2.1 前處理
(1)創(chuàng)建分析項(xiàng)目。
ANSYS WorkBench的工具箱中有多個(gè)分析項(xiàng)目。該文用了靜力結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析兩個(gè)項(xiàng)目,分別將兩個(gè)項(xiàng)目的工程數(shù)據(jù)、幾何模型、模型模塊連接,以及將靜力結(jié)構(gòu)分析中的解決方案模塊與模態(tài)分析中的設(shè)置模塊相連接,項(xiàng)目概圖如圖3所示。
(2)建立網(wǎng)面三維模型。
由于在ANSYS WorkBench中可以直接導(dǎo)入SolidWorks的三維圖,所以該文使用SolidWorks工程設(shè)計(jì)軟件建模[3],拍面尺寸通過(guò)實(shí)測(cè)獲得。根據(jù)羽毛球拍網(wǎng)面穿線特征,橫縱兩向交錯(cuò)穿過(guò),所以每根線都是由多段直線和圓弧構(gòu)成。該文通過(guò)實(shí)測(cè)得到每段直線距離和相鄰兩根線的距離,通過(guò)已知的線徑、相鄰兩線距離和圓內(nèi)弦的垂直平分線過(guò)圓心三個(gè)條件找到圓弧的圓心,從而得到圓弧半徑并繪制出二維草圖。最后通過(guò)SolidWorks 三維建模中的掃描、陣列、拉伸、裁剪等特征功能完成網(wǎng)面的建模(圖4)。