基于Adams運動員蘇欣悅的鐵餅出手時的動力學仿真

陳 鑄 張 建

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基于Adams運動員蘇欣悅的鐵餅出手時的動力學仿真

陳 鑄 張 建

（畢節市工業學校，貴州 畢節 551700）

為提高鐵餅競技的水平，簡化投擲鐵餅的實驗過程，運用Adams、Excel和AutoCAD軟件聯合對投擲鐵餅進行仿真分析，直觀地觀察了投擲鐵餅的運行軌跡，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：出手高度，實際數據1.58m，仿真數據1.58m，無誤差；投擲距離，實際數據64.27m，仿真數據63.93m，誤差為0.5%；出手角度，實際數據32.2°，仿真數據32.6°，誤差為1.2%，實際結果與仿真結果基本一致。因此，所用方法精度高，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。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,很便捷地計算出相應條件下鐵餅的投擲距離。

Adams；鐵餅；動力學；仿真

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

鐵餅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，由于鐵餅運動員訓練階段及身體機能的不同，形成鐵餅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，也會形成鐵餅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鐵餅運動員的訓練提供有針對性的培養計劃和方案，并根據運動員訓練與比賽中的相關數據來指導運動員的鐵餅技術，提高運動員的競技水平，為運動員的訓練與發展提供科學依據。本文以蘇欣悅鐵餅投擲成績為64.27米的最后出手階段的參數為研究對象，運用Adams 、Excel和AutoCAD軟件聯合對投擲鐵餅進行仿真分析，對進一步提高鐵餅運動的教學、訓練有一定指導作用[3-5]。

1 鐵餅投擲的原理圖

如圖1所示，運動員通過持握鐵餅——準備——旋轉——用力——平衡身體后，以出手速度V將鐵餅從C點投擲出，鐵餅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，鐵餅落在D點。A點為運動員前腳著力點， B點的為鐵餅投擲起始位處的正投影點，C點為鐵餅的投擲起始位置，D點為鐵餅落地的結束位置，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正式比賽中使用的女子標準鐵餅的實體仿真模型，以鐵餅的中心建立直角坐標系，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

參數鐵餅密度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，仿真步數為1000，圖3為鐵餅做拋物運動時的水平方向的位移圖，從圖3中可以看出，當鐵餅運行到2.84s時，鐵餅的拋物運動結束，從投擲的起始位置到結束位置的水平距離為63.93m。圖4為鐵餅做拋物運動時的豎直方向上的位移圖，當鐵餅運行到1.36s時，鐵餅運行至最高點，最高點距鐵餅投擲起始位置的垂直距離為8.95m，鐵餅運行到2.84s時，鐵餅運行至最低點，最低點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 軌跡曲線的創建及導入

在Adams中創建鐵餅的marker點（在鐵餅質心處）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據的屬性并以.txt格式保存，由于Adams和Excel中的曲線無法測量并標注關鍵尺寸，因此將Excel生成鐵餅軌跡相對應的坐標值導入到AutoCAD中，最后對AutoCAD中生成軌跡曲線進行關鍵尺寸測量并標注，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 軌跡測量標注

5 結論

本文運用ANSYS、Excel和AutoCAD軟件對投擲鐵餅進行仿真分析，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行仿真分析。得到以下結論：出手高度，實際數據1.58m，仿真數據1.58m，無誤差；投擲距離，實際數據64.27m，仿真數據63.93m，誤差為0.5%；出手角度，實際數據32.2°，仿真數據32.6°，誤差為1.2%。

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、鐵餅的自轉加速度及空氣對鐵餅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，有利于教練員運用科學技術手段，在實際訓練的過程中，并根據運動員訓練與比賽中的相關數據來改善運動員的鐵餅技術，提高運動員的競技水平。為探索運動員投擲鐵餅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節的參數和出手時間、空氣對鐵餅的升力及鐵餅的自轉角速度等參數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,很方便的計算出相應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規律。

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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。