◇湖南師范大學體育學院 石華畢

1 引言

競技武術的發(fā)展促使了武術諸多方面的標準化。為了推動武術的國際化，武術器械從原來的使用規(guī)格已經(jīng)實現(xiàn)了器材的標準化。白蠟桿作為一種天然的武術棍材質(zhì)，在很長時間內(nèi)基本是武術競技運動員首選，隨著武術競技水平的提高，白蠟桿在比賽中頻頻出現(xiàn)斷裂，極大地影響了武術運動員的競技成績。材料科學的發(fā)展，T700碳纖維廣泛運用于制造業(yè)中，這為新型的武術棍生產(chǎn)提供了技術保障。國內(nèi)某公司武術健身器材有限公司生產(chǎn)的武術棍受到了競技武術練習者的青睞，一方面，這種碳纖維的武術棍極大地減少了比賽中棍體斷裂地現(xiàn)象；另一方面，棍體設計時尚、使用舒適、經(jīng)久耐用。碳纖維材質(zhì)的武術棍很好地解決了運動員為挑選合適的白蠟桿而花費的時間和擔憂。新型武術棍的棍形在延續(xù)了白蠟桿武術棍的棍形上也做了響應的改進/變—棍梢部分消減突出，梢端統(tǒng)一為15mm，把端統(tǒng)一為25mm。這種改進既是碳纖維材質(zhì)可靠性的保證，又是為了節(jié)省材料，避免浪費。

目前，關于新型武術棍專利眾多，主要是在武術棍的功能上進行了專利申請。如便攜性[1]、伸縮性[2]、拆解性[3]、便攜及自適應性[4]等，武術棍材料專利上如聚氨酯、塑性樹脂道具武術棍[5-6]，組合棍芯（鉛塊與法發(fā)泡材料、磁塊）[7]組合棍本體（橡膠頭、彈簧）[8]。這些專利主要拓寬了武術棍的功能性，武術棍不再拘泥于體育運動競技，也可以用于健身，材料的組合運用也主要圍繞棍的功能。武術運動的生物力學研究主要圍繞難度動作，對器械本身力學特性研究極少，單保海等從運動生物力學角度，對棍術運動中掄棍動作進行轉動力學分析[9]，可以看出對武術棍本身的材料力學，特別是現(xiàn)代競技武術棍新型材質(zhì)的研究幾乎是空白。競技武術棍材料還處于一定的商業(yè)開發(fā)與保密階段，材料力學的研究報道近期不大可能見諸于文獻。本文對碳纖維材質(zhì)建立五種結構（棍形）的武術棍有限元模型，并對五種不同結構的武術棍模型進行有限元屈曲分析，研究表明臺管兩頭加實形武術棍具有力學特性與材料耗用最為合理。

2 材料和方法

2.1 材料

設備：計算機CPU：inter（R）core（TM）i9-9900K CPU@3.60GHz 3.60GHz，內(nèi)存：金士頓2666MHZ駭客神條DDR4 8G*4，硬盤：三星970 EVO Plus M.2固態(tài)硬盤500G，西部數(shù)據(jù)（Western Digital）藍盤2TB機械硬盤，23.8液晶顯示屏，windows 10專業(yè)版操作系統(tǒng)；有限元分析軟件Ansys Workbench17.0。

2.2 方法

（1）競技武術棍有限元模型的建立及材料屬性。T700-SC碳纖維密度為1800kg/m3，環(huán)向許用抗拉強度4.9GPa，彈性模量230GPa，泊松比0.307，徑向抗拉強度為80MPa[10]。

競技武術棍是對傳統(tǒng)武術棍的改良，為了減輕棍體重量而采用中空結構。一項關于復合材料武術棍的設計是將連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂預浸帶經(jīng)烘箱加熱熔融，再經(jīng)纏繞裝置纏繞成中空結構的武術棍[6]。測量XXX公司武術棍實體，棍梢15mm、棍把25mm。分別模擬五種不同結構的武術棍構建有限元模型，模擬參數(shù)及t700材料屬性（見表1）。

表1 T700武術棍的模型模擬參數(shù)及材料屬性

在CAD軟件的構建五種不同結構的武術棍模型（見圖1）。臺型管兩頭實心模型的剖面圖，我們可以看到兩頭被切開的實心部位。

圖1 五種不同構造的武術棍幾何圖

武術運動中，不同流派或不同拳種的棍形和材質(zhì)差別很大。譬如，岳家拳的棍/棒是兩頭細、中間粗，粗壯處因個人不同可以達到5-6cm，兩頭細端3cm左右，并根據(jù)需要配以銅管或鐵管包裹以加大攻擊性。傳統(tǒng)棍術是“棍打兩頭忙”，意思是棍以戳擊為主，而現(xiàn)代競技武術的棍術特點則是“棍打一大片”。競技武術實際就是一種標準化的武術，其中棍形及規(guī)格也是標準化之一。今天我們看到的競技武術棍，類似于臺球桿，但其棍形基本是延續(xù)了傳統(tǒng)白蠟桿的形狀。

王忠春說，2010年之后，江蘇新華邁入了新發(fā)展階段，實現(xiàn)了“五步走”：第一步，完成公司化改造、成立鳳凰新華印務，并購多家印企成立子公司；第二步，重新定位，明確綠色印刷、數(shù)字化轉型、海外拓展三大板塊；第三步，進行產(chǎn)品結構調(diào)整、鞏固主營，增強“圖書報刊、商業(yè)包裝、金融票據(jù)”印刷業(yè)務競爭力；第四步，進行產(chǎn)業(yè)鏈延伸拓展，在主營基礎上，引入“數(shù)字資產(chǎn)管理、云平臺服務、創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)發(fā)展、綠色檢測認證和中外文化交流”等業(yè)務；第五步，進行國際化拓展，進入國際市場。正是因為這“五步走”，鳳凰新華印務脫胎換骨般實現(xiàn)了巨大改變。

臺管形競技武術棍有限元模型與實際的競技武術棍還在一定的差別?，F(xiàn)實的競技武術棍是多種材料復合構成的，而模擬的有限元武術棍僅是T700碳纖維構成，現(xiàn)實的武術棍把端、棍梢端是由碳纖維和樹脂構成的實體，棍的中端則是中空結構。本文對臺管形武術棍設計了兩個模型，一個是臺管兩頭空，一種是在臺管形的基礎上，分別在模型的兩端加上長10cm的實心材料。為了簡化模擬，本研究將不同結構的武術棍作為同種材料（T700碳纖維）看待。

（2）五種不同結構的武術棍有限元屈曲分析?；谖湫g棍術運動的特點，點棍受力點主要集中在棍梢，棍的把端主要起到固定約束。五種不同結構的屈曲分析中，本文統(tǒng)一將棍梢部位頂端施加屈曲載荷，而將把端施加固定約束。

本研究以圓管形武術棍為例，計算其屈曲載荷，再利用有限元軟件進行屈曲分析計算的結果進行比較。管形武術棍的尺寸和特性為：外徑D=25mm，內(nèi)徑d=20mm，棍長L=1700mm，T700的彈性模量E=230E3MPa。

將上面的mm單位換算成inch：

根據(jù)空心管的橫截面積的慣性矩公式：

可以通過計算得出此空心管的慣性矩：

利用臨界公式：

根據(jù)上面的公式和數(shù)據(jù)可以推導出屈曲載荷為：

計算推導出的管形武術棍屈曲載荷為495ibf，有限元分析軟件計算的結果為498.9ibf，兩者的結果很接近。圖2與圖3是五種不同結構同材質(zhì)（T700）屈曲分析的云圖，其中臺管兩頭加實形是現(xiàn)代競技武術棍的有限元屈曲分析。

圖2 圓柱形與圓管形武術棍屈曲分析云圖

圖3 圓臺形、臺管形、臺管兩頭加實形武術棍屈曲云圖

比較五種不同結構同材質(zhì)的武術棍有限元屈曲分析以及材料耗用情況，圓柱形使用的材料是最多的，臺管形是最少的，但從力學結構來講臺管兩頭加實形，力學結構和材料耗用是最為合理的。因此，現(xiàn)代競技武術棍采用的就是這種模型結構。

3 結果

在線性屈曲分析中需要評價許多結構的穩(wěn)定性。在薄柱、壓縮部件和真空罐的例子中，穩(wěn)定性是很重要的。在失穩(wěn)（屈曲）的結構中，當結構所受到某一值時，若增加一微小的增量，結構的平衡位形將發(fā)生很大改變。特征值或線性屈曲分析預測理想線彈性結構的理論屈曲強度。此方法相當于教科書上線彈性[11]屈曲分析的實質(zhì)是物體變形產(chǎn)生的剪切力—破壞力。

從表2可以看出，圓柱形的武術棍屈曲載荷最大843.3ibf，臺管形的武術棍最小398.67ibf。說明圓柱形的武術棍最具抗破壞的能力，但從材料的能效來講，柱形武術棍的耗材也是最多，且在實際的競技武術運動中，這種棍形是不見的。而對于臺管形（空心）的武術棍，我們通過模擬，雖然屈曲載荷排序最后，但從材料的能效以及抗屈曲的能力來講，卻實現(xiàn)了材料節(jié)省、力學優(yōu)化的兼顧，這就是此種武術棍經(jīng)久耐用的所在，也反映了材料科學在武術運動中的運用的不斷進步。武術棍材料還經(jīng)歷過玻璃鋼的時期，玻璃纖維雖然也有很好的抗拉、抗壓、抗彎，但相比如碳纖維來講，玻璃纖維重量要比碳纖維大，所以同規(guī)格的棍形，玻璃纖維棍要重得多，這就是玻璃纖維材料的武術棍逐漸淘汰的原因之一。

表2 四種不同結構的武術棍有限元屈曲分析臨界值比較（ibf）

從表2我們還可以發(fā)現(xiàn)問題，即為什么現(xiàn)代的競技武術棍采用中空的結構而不采用實心的結構？競技武術是傳統(tǒng)武術革新的產(chǎn)物，雖然傳統(tǒng)武術的棍絕大部分是實心的，有的武術流派使用空心竹作為棍，這種空心竹的“空心”很小，但很是結實。由于傳統(tǒng)武術棍的技法和競技武術存在很大的差異，這種空心竹的棍并適合競技武術棍的摔，點棍法，因此只能小范圍使用。通過對競技武術棍的了解，如，在使用過程中也有競技武術棍斷裂的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)競技武術棍并不是完全的空管形，而是在兩頭（棍把端、棍梢段）設計為實心的結構。本研究模擬了在空心臺管形武術棍的基礎上，添加了兩端長為10cm的實心，材質(zhì)同樣設置為T700碳纖維，屈曲載荷的臨界值從398.67ibf上升為429.85ibf，可見通過一定結構設計的優(yōu)化，既提高了抗屈曲的能力，又不至于大幅度提高材料的使用。因此，就當下而言，相比其他棍形，這種臺管形兩頭實心的武術棍設計是合理的。

缺陷和非線性行為使現(xiàn)實結構無法與它們的理論彈性屈曲強度一致，線性屆曲一般會得出不保守的結果但線性屈曲也會得出無法解釋的問題：非彈性的材料響應、非線性作用、不屬于建模的結構缺陷（凹陷等）。盡管不保守，線性屈曲仍有以下優(yōu)點。①它比非線性屈曲計算省時，并且可以作第一步計算來評估臨界載荷。屈曲開始時的載荷在屈曲分析中做一些對比可以體現(xiàn)二者的明顯不同。②線性屈曲分析可以用來作為確定屈曲形狀的設計工具，結構屈曲的方式可以為設計提供向導[11]。

4 討論

競技武術脫胎于傳統(tǒng)武術。武術運動技術以及武術器材的革新能極大推動武術文化的傳播，材料科學以及制造工藝確保了競技武術棍的棍形外觀的保持。但就武術器械來看，以西方快速更新的運動技術器材為參照，中國武術器械的更新?lián)Q代速度顯然跟不上武術技術發(fā)展的需要，即使武術器械已經(jīng)有了突破，有新產(chǎn)品問世（例如高分子有機武術棍），然而武術器械技術仍然需要獲得大的突破。與武術棍同步，其他武術用品也應該加快研發(fā)速度，發(fā)明出能夠經(jīng)濟耐用的武術器械用具。棍作為中國傳統(tǒng)武術各個流派、拳種常用的兵器，幾乎取材于各地，因此可以說具有一定的地域性以及古樸性。如何在外觀和質(zhì)感上保持一定的傳統(tǒng)，就是一個現(xiàn)代與傳統(tǒng)平衡的問題?，F(xiàn)在的競技武術棍從外觀上看與臺球桿極為相似，且“雕龍畫鳳”，堪稱一根藝術的棍子，顯然脫離了武器的威武與尖利。傳統(tǒng)的白蠟桿武術棍具備剛柔相濟的特點，棍的特點與武術的技擊要義可謂是“天人合一”。用白蠟桿制作的槍，揮舞起來才有“槍如游龍”的感覺。武術規(guī)則的導向不再需要槍的大劈大揮。然而，“大劈大揮”的力就是現(xiàn)代競技武術棍材料特性的弱點，一根競賽槍價格千元以上，一根上好的白蠟桿槍桿也就幾十元，這就是為什么很多基層運動員還在使用白欄桿作為槍桿的緣由。作為一種天然有機物的白蠟桿依然充滿活力。已有的研究表明白蠟桿力學性能：①順紋抗壓強度：白蠟桿的順紋抗壓強度為48.93MPa，強度適中；②順紋抗拉強度：白蠟桿的順紋抗拉強度為188MPa，較高，比水曲柳高7.3%，比椴木高12.1%；③抗彎強度：白蠟桿的抗彎強度為99.33MPa，比大白藤高37.2%；④彎曲性能：白蠟桿的彎曲性能通過大量試驗測得為1/1.9～1/2.0之間，與榆木的彎曲性能相近[12]。因此，對白蠟桿材料的工藝處理還存在很大的空間。

有限元模型具有一定的誤差和局限性，對模型進行實驗驗證是將其用于后續(xù)研究的前提條件。但是驗證的方法并沒有明確的標準，不同驗證方法的適用范圍和驗證強度也各不相同。例如，以膝關節(jié)的位移和轉角為指標適用于驗證關節(jié)約束系統(tǒng)的結構；以關節(jié)組織的產(chǎn)響應為指標適用于驗證組織的材料特性；此外以物理量的空間分布為指標（例如應力、應變的分布等）則驗證的條件較強，精度較高；而以物理量的單一值為指標（例如合力、合力矩的大小等）則驗證的條件較弱，精度較低。針對特定的研究目的，選用合適的驗證方法，對于驗證的有效性和后續(xù)研究的準確性是至關重要的[13]。

本文從競技武術棍的材質(zhì)T700出發(fā)，對五種不同結構的武術棍進行了屈曲分析，表明梢端（細端）受力最大，這是符合現(xiàn)代競技武術運動特點的，棍梢是棍術技法最后的體現(xiàn)，如戳棍、點棍、撥棍、掃棍等技法，就是棍梢端體現(xiàn)棍的運動技法，正所謂“棍槍同源”。

綜上，圓臺形武術棍比空心圓臺形屈曲時有更大的臨界壓力，說明實心圓臺形更具有抗屈曲的效果。但是實心圓臺加大了材料的使用，并不經(jīng)濟環(huán)保和實用。對武術運動而言，要材料節(jié)省、結構合理，武術棍才會抗壓、抗摔，以此確保運動員運動安全以及運動技術的發(fā)揮，從而在激烈的比賽中獲得優(yōu)異的比賽成績。

5 結論

通過對同種材質(zhì)T700碳纖維五種不同結構的競技武術棍進行有限元屈曲分析，驗證了臺管兩頭加實形武術棍在力學行為以及耗材的經(jīng)濟性上是最為合理的，表明現(xiàn)代競技武術棍采用此種結構是科學的。