基于Adams世界優秀運動員男子標槍出手時的動力學仿真

陳鑄 張建

摘 要： 為了提高標槍競技的水平，簡化投擲標槍的實驗過程，本文運用Adams、Excel和AutoCAD軟件聯合對投擲標槍進行仿真分析，直觀地觀察投擲標槍的運行軌跡，對出手角度、出手速度和出手高度的仿真數據與實際數據進行了對比分析。結果表明，實際結果與仿真結果基本一致，所用方法可為教練員科學訓練提供理論指導，為運動員的訓練與發展提供科學依據。

關鍵詞： Adams； 標槍； 動力學； 仿真

中圖分類號：G824.119 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）07-60-04

Abstract： In order to improve the competitive level of javelin and simplify the experimental process， simulation analysis to javelin is carried out by using Adams， Excel and AutoCAD software in this paper， visually observes the trajectory of javelin to compare and analyze the angle， speed and height of javelin with actual data and simulation data. The results showed that the actual results and simulation results are basically identical， so， this method can provide actual guidance for the coaches' scientific training， provide the scientific basis for athletes' training and development.

Key words： Adams； javelin； dynamics； simulation

0 引言

近年來，國內隨著經濟實力的增強以及訓練水平的穩步提升，體育事業有了長足發展。標槍運動具有集技能、力量、速度和心理于一體的體育競技項目，在標槍的實際賽事中，最遠的投擲距離是核心問題，當標槍的出手高度和出手速度一定時，標槍的最優軌跡是實現這一核心問題的最佳方法。如何獲得標槍最遠距離的投擲，已成為專家和學者們研究的熱點問題[1-3]。

標槍運動員的訓練階段具有多元化的特點，多元化的特點導致運動員在訓練階段的側重點不一樣。第一，由于標槍運動員訓練階段及身體機能的不同，形成標槍運動員發展之間的差異；第二，由于運動員個體之間原有的技能、職業情感與心理之間存在差異，也會形成標槍運動員訓練階段的差異。面對上述差異，教練員應根據實際情況為標槍運動員的訓練提供有針對性的培養計劃和方案，并參考運動員訓練與比賽中的數據來指導運動員的標槍技術，提高其競技水平，為運動員的訓練與發展提供科學依據。本文以1995年世錦賽男子標槍決賽中前三名的最后出手階段的參數為研究對象，運用Adams、Excel和AutoCAD軟件聯合對投擲標槍進行仿真分析，對進一步提高標槍運動的教學、訓練有一定指導作用[4-6]。

1 標槍投擲的原理圖

如圖1所示，運動員通過持握標槍-準備-助跑-用力-平衡身體后，以出手速度V將標槍從C點投擲出，標槍在空氣中做拋體運動，在空氣升力、空氣阻力和重力加速度的作用下，標槍落在D點。A點為運動員前腳著力點， B點的為標槍投擲起始位處的正投影點，C點為標槍的投擲起始位置，D點為標槍落地的結束位置，BC為投擲起始位置的高度h，α為出手角度，L1為運動員前腳與標槍的投擲起始位置之間的水平距離，L2為標槍投擲起始位置到標槍落地位置的水平距離。

2 仿真模型的建立

Solidworks和Adams的系統默認坐標系都是笛卡爾坐標系，因此建立的模型導入時視圖方向不發生變化。本文采用Solidworks軟件建立1：1正式比賽中使用的男子標準標槍的實體仿真模型，以標槍的中心建立直角坐標系，該模型由標槍和地面組成，將建好的模型以parasold（x_t）格式導入Adams中，如圖2所示，仿真模型中part2為標槍，part3為地面，定義材料屬性并賦值，投擲標槍的仿真模型的主要參數取值（IAAF1995的研究報告）[7-8]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，標槍和地面之間為接觸副，沿Y軸負方向施加重力加速度，最后施加空氣升力、空氣阻力以及標槍和地面之間的摩擦力[9-13]，Adams單位采用MMKS制。

3 仿真分析

為了便于描述，定義澤萊茲尼的出手參數為“樣本1”，巴克利的出手參數為“樣本2”，亨利的出手參數為“樣本3”。該仿真過程的時間為5s，仿真步數為1000，圖3為樣本1的標槍做拋物運動時質心在水平方向的位移圖，從圖3可以看出，標槍在初速度的作用下，從投擲起始位置做拋體運動，在重力、空氣阻力和升力合力作用下，最終標槍與地面接觸，當標槍運行到3.55s時，標槍的拋物運動結束，從投擲的起始位置到結束位置標槍質心的水平距離為91.45m。同理，圖4為標槍做拋物運動時質心在豎直方向上的位移圖，當標槍運行到1.76s時，標槍運行至最高點，質心最高點距標槍投擲起始位置的垂直距離為14.96m，標槍運行到3.55s時，標槍運行至最低點，質心最低點距標槍投擲起始位置的垂直距離為0.75m。

圖5為樣本2的標槍做拋物運動時質心在水平方向的位移圖，從圖5可以看出，同樣本1所述，當標槍運行到3.5s時，其拋物運動結束，從投擲的起始位置到結束位置標槍質心的水平距離為85.02m。圖6為標槍做拋物運動時質心在豎直方向上的位移圖，同樣本1所述，當標槍運行到1.73s時，標槍運行至最高點，質心最高點距標槍投擲起始位置的垂直距離為14.39m，標槍運行到3.5s時，標槍運行至最低點，質心最低點距標槍投擲起始位置的垂直距離為0.99m。

圖7為樣本3的標槍做拋物運動時質心在水平方向的位移圖，從圖7中可以看出，同樣本1所述，當標槍運行到3.56s時，標槍的拋物運動結束，從投擲的起始位置到結束位置標槍質心的水平距離為85.01m。圖8為標槍做拋物運動時質心在豎直方向上的位移圖，同樣本1所述，當標槍運行到1.75s時，標槍運行至最高點，質心最高點距標槍投擲起始位置的垂直距離為14.94m，標槍運行到3.56s時，標槍運行至最低，質心最低點距標槍投擲起始位置的垂直距離為1.01m。

4 軌跡曲線的創建及導入

在Adams中創建標槍的marker點（在標槍質心處）相對于地面的軌跡曲線，軌跡曲線如圖9所示，修改標槍的軌跡曲線數據的屬性并以.txt格式保存，由于Adams和Excel中的曲線無法測量和標注關鍵尺寸，因此將Excel生成標槍軌跡相對應的坐標值導入到AutoCAD中，如圖10所示，最后對AutoCAD中的生成軌跡曲線進行關鍵尺寸測量并標注，關鍵參數的對比數據如表2所示。

5 結論

本文運用ANSYS、Excel和AutoCAD軟件對投擲標槍進行仿真分析，對投擲標槍出手時的參數：出手角度、出手速度和出手高度，以及投擲距離進行仿真分析，得到以下結論。

出手高度：樣本1、樣本2和樣本3均無誤差。

投擲距離：樣本1誤差為正偏差，樣本2、樣本3的誤差為負偏差，對應的誤差分別為2.1%、1.5%和1.2%。

出手角度：樣本1、樣本2和樣本3的誤差均為正偏差，對應的誤差分別為3.1%、3.3%和3.6%。

計算結果與仿真結果基本一致，上述誤差主要是由測量誤差、運動員的上肢全長及空氣對標槍阻力和升力大小的設定值引起，所用方法精度高，可為教練員科學訓練提供理論依據。本仿真有助于深入了解投擲標槍時出手高度、出手角度及出手速度對投擲距離的影響，有利于教練員科學運用技術手段，在實際訓練中，根據運動員訓練和比賽中的相關數據來改善運動員的標槍技術，提高運動員的競技水平。為探索運動員投擲標槍過程提供了一種新方法。接下來有必要深入研究投擲過程中各關節的參數和出手時間、空氣對標槍的升力及阻力等參數對標槍投擲距離的影響[14-16]。繼而還可通過改變出手高度、出手角度和出手速度的不同參數，很方便的計算出相應條件下的標槍投擲距離，可有效且快捷地研究投擲標槍出手時的參數規律。

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