基于Adams世界優(yōu)秀運(yùn)動員男子標(biāo)槍出手時的動力學(xué)仿真

陳鑄 張建

摘 要： 為了提高標(biāo)槍競技的水平，簡化投擲標(biāo)槍的實(shí)驗(yàn)過程，本文運(yùn)用Adams、Excel和AutoCAD軟件聯(lián)合對投擲標(biāo)槍進(jìn)行仿真分析，直觀地觀察投擲標(biāo)槍的運(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(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，實(shí)際結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，所用方法可為教練員科學(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)。

關(guān)鍵詞： Adams； 標(biāo)槍； 動力學(xué)； 仿真

中圖分類號：G824.119 文獻(xiàn)標(biāo)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(nèi)隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)以及訓(xùn)練水平的穩(wěn)步提升，體育事業(yè)有了長足發(fā)展。標(biāo)槍運(yùn)動具有集技能、力量、速度和心理于一體的體育競技項(xiàng)目，在標(biāo)槍的實(shí)際賽事中，最遠(yuǎn)的投擲距離是核心問題，當(dāng)標(biāo)槍的出手高度和出手速度一定時，標(biāo)槍的最優(yōu)軌跡是實(shí)現(xiàn)這一核心問題的最佳方法。如何獲得標(biāo)槍最遠(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]。

標(biāo)槍運(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，由于標(biāo)槍運(yùn)動員訓(xùn)練階段及身體機(jī)能的不同，形成標(biāo)槍運(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，也會形成標(biāo)槍運(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(shí)際情況為標(biāo)槍運(yùn)動員的訓(xùn)練提供有針對性的培養(yǎng)計(jì)劃和方案，并參考運(yùn)動員訓(xùn)練與比賽中的數(shù)據(jù)來指導(dǎo)運(yùn)動員的標(biāo)槍技術(shù)，提高其競技水平，為運(yùn)動員的訓(xùn)練與發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。本文以1995年世錦賽男子標(biāo)槍決賽中前三名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)合對投擲標(biāo)槍進(jìn)行仿真分析，對進(jìn)一步提高標(biāo)槍運(yùn)動的教學(xué)、訓(xùn)練有一定指導(dǎo)作用[4-6]。

1 標(biāo)槍投擲的原理圖

如圖1所示，運(yùn)動員通過持握標(biāo)槍-準(zhǔn)備-助跑-用力-平衡身體后，以出手速度V將標(biāo)槍從C點(diǎn)投擲出，標(biāo)槍在空氣中做拋體運(yùn)動，在空氣升力、空氣阻力和重力加速度的作用下，標(biāo)槍落在D點(diǎn)。A點(diǎn)為運(yùn)動員前腳著力點(diǎn)， B點(diǎn)的為標(biāo)槍投擲起始位處的正投影點(diǎn)，C點(diǎn)為標(biāo)槍的投擲起始位置，D點(diǎn)為標(biāo)槍落地的結(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)動員前腳與標(biāo)槍的投擲起始位置之間的水平距離，L2為標(biāo)槍投擲起始位置到標(biāo)槍落地位置的水平距離。

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正式比賽中使用的男子標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)槍的實(shí)體仿真模型，以標(biāo)槍的中心建立直角坐標(biāo)系，該模型由標(biāo)槍和地面組成，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為標(biāo)槍，part3為地面，定義材料屬性并賦值，投擲標(biāo)槍的仿真模型的主要參數(shù)取值（IAAF1995的研究報(bào)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(biāo)槍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、空氣阻力以及標(biāo)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(shù)為“樣本1”，巴克利的出手參數(shù)為“樣本2”，亨利的出手參數(shù)為“樣本3”。該仿真過程的時間為5s，仿真步數(shù)為1000，圖3為樣本1的標(biāo)槍做拋物運(yùn)動時質(zhì)心在水平方向的位移圖，從圖3可以看出，標(biāo)槍在初速度的作用下，從投擲起始位置做拋體運(yùn)動，在重力、空氣阻力和升力合力作用下，最終標(biāo)槍與地面接觸，當(dāng)標(biāo)槍運(yùn)行到3.55s時，標(biāo)槍的拋物運(yùn)動結(jié)束，從投擲的起始位置到結(jié)束位置標(biāo)槍質(zhì)心的水平距離為91.45m。同理，圖4為標(biāo)槍做拋物運(yùn)動時質(zhì)心在豎直方向上的位移圖，當(dāng)標(biāo)槍運(yùn)行到1.76s時，標(biāo)槍運(yùn)行至最高點(diǎn)，質(zhì)心最高點(diǎn)距標(biāo)槍投擲起始位置的垂直距離為14.96m，標(biāo)槍運(yùn)行到3.55s時，標(biāo)槍運(yùn)行至最低點(diǎn)，質(zhì)心最低點(diǎn)距標(biāo)槍投擲起始位置的垂直距離為0.75m。

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

圖7為樣本3的標(biāo)槍做拋物運(yùn)動時質(zhì)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(dāng)標(biāo)槍運(yùn)行到3.56s時，標(biāo)槍的拋物運(yùn)動結(jié)束，從投擲的起始位置到結(jié)束位置標(biāo)槍質(zhì)心的水平距離為85.01m。圖8為標(biāo)槍做拋物運(yùn)動時質(zhì)心在豎直方向上的位移圖，同樣本1所述，當(dāng)標(biāo)槍運(yùn)行到1.75s時，標(biāo)槍運(yùn)行至最高點(diǎn)，質(zhì)心最高點(diǎn)距標(biāo)槍投擲起始位置的垂直距離為14.94m，標(biāo)槍運(yùn)行到3.56s時，標(biāo)槍運(yùn)行至最低，質(zhì)心最低點(diǎn)距標(biāo)槍投擲起始位置的垂直距離為1.01m。

4 軌跡曲線的創(chuàng)建及導(dǎo)入

在Adams中創(chuàng)建標(biāo)槍的marker點(diǎn)（在標(biāo)槍質(zhì)心處）相對于地面的軌跡曲線，軌跡曲線如圖9所示，修改標(biāo)槍的軌跡曲線數(shù)據(jù)的屬性并以.txt格式保存，由于Adams和Excel中的曲線無法測量和標(biāo)注關(guān)鍵尺寸，因此將Excel生成標(biāo)槍軌跡相對應(yīng)的坐標(biāo)值導(dǎo)入到AutoCAD中，如圖10所示，最后對AutoCAD中的生成軌跡曲線進(jìn)行關(guān)鍵尺寸測量并標(biāo)注，關(guān)鍵參數(shù)的對比數(shù)據(jù)如表2所示。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用ANSYS、Excel和AutoCAD軟件對投擲標(biāo)槍進(jìn)行仿真分析，對投擲標(biāo)槍出手時的參數(shù)：出手角度、出手速度和出手高度，以及投擲距離進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)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(fù)偏差，對應(yīng)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(yīng)的誤差分別為3.1%、3.3%和3.6%。

計(jì)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)動員的上肢全長及空氣對標(biāo)槍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標(biāo)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(xué)運(yùn)用技術(shù)手段，在實(shí)際訓(xùn)練中，根據(jù)運(yùn)動員訓(xùn)練和比賽中的相關(guān)數(shù)據(jù)來改善運(yùn)動員的標(biāo)槍技術(shù)，提高運(yùn)動員的競技水平。為探索運(yùn)動員投擲標(biāo)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(guān)節(jié)的參數(shù)和出手時間、空氣對標(biāo)槍的升力及阻力等參數(shù)對標(biāo)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(shù)，很方便的計(jì)算出相應(yīng)條件下的標(biāo)槍投擲距離，可有效且快捷地研究投擲標(biāo)槍出手時的參數(shù)規(guī)律。

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