覃家寧
(上海東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院,上海200241)
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,指以碳纖維為材料骨架,輔以膠涂層和內(nèi)襯材料后形成的一種新型材料。該材料比重輕、強(qiáng)度高、彈性可控性強(qiáng),如用于體育器材的主體結(jié)構(gòu)中,可以有效提升體育器材的具體性能[1]。該研究以高彈性跳高桿為研究對(duì)象,對(duì)體育器材用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行具體仿真研究。
國(guó)際田聯(lián)對(duì)跳高桿的要求為長(zhǎng)度4.48m至4.52m,總重量不超過(guò)2.25kg,可用材料為金屬合金、玻璃纖維及其他適宜材料,對(duì)具體材料構(gòu)成與直徑無(wú)具體要求[2]。而跳高桿的彈性、強(qiáng)度等性能對(duì)撐桿跳成績(jī)有直接影響,在現(xiàn)代競(jìng)技體育環(huán)境下,跳高桿已經(jīng)成為材料科學(xué)和工程力學(xué)的角逐競(jìng)賽場(chǎng)。即在當(dāng)前競(jìng)技體育領(lǐng)域,體育科技對(duì)體育成績(jī)的影響比重快速增加。使用新型材料提升器材性能,對(duì)提升運(yùn)動(dòng)員成績(jī)有積極意義[3]。
該研究創(chuàng)新點(diǎn)是在跳高桿的設(shè)計(jì)過(guò)程中,摒棄了傳統(tǒng)的玻璃纖維或者金屬合金材料,使用玻璃纖維內(nèi)襯+碳纖維套管+表面膠層的基本架構(gòu),研究適用于跳高桿的新型復(fù)合材料[4]。
跳高桿本身是一種后端略粗前端略細(xì)的長(zhǎng)圓柱體,可等效為圓臺(tái)體進(jìn)行研究。根據(jù)其實(shí)際結(jié)構(gòu),一般分為實(shí)心結(jié)構(gòu)和空心結(jié)構(gòu)兩種,該研究設(shè)計(jì)的跳高桿為一種空心結(jié)構(gòu)實(shí)體。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 跳高桿等效分析結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of equivalent analysis of high jump pole
圖1中,該跳高桿的核心結(jié)構(gòu)分為4個(gè)部分,均可等效為圖1(上)中的細(xì)長(zhǎng)圓臺(tái)結(jié)構(gòu),由內(nèi)至外分別為中空結(jié)構(gòu)、玻璃纖維層、碳纖維層、膠層。根據(jù)圓臺(tái)體積公式,該跳高桿的總體體積V如公式(1):
式(1)中:數(shù)學(xué)符號(hào)意義如圖1所示。
假定中空結(jié)構(gòu)后端直徑為D0,前端直徑為d0;玻璃纖維層后端外徑為D1,前端直徑為d1;碳纖維層后端外徑為D2,前端直徑為d2,則各結(jié)構(gòu)層的材料體積如公式(2):
式(2)中:V0為中空結(jié)構(gòu)體積;V1為玻璃纖維結(jié)構(gòu)體積;V2為碳纖維結(jié)構(gòu)體積;V3為表面膠層體積;其他數(shù)學(xué)符號(hào)含義同前文。
根據(jù)不同材料的實(shí)際密度,在4.48(m)≤L≤4.52(m) 的前提下,可以得到公式(3):
式(3)中:ρ1為玻璃纖維密度,該值為常量,約為 2.54(g/cm3);ρ2為碳纖維密度,該值為常量,約為1.63(g/cm3) ;ρ3為表面膠層密度,該值為常量,約為1.79(g/cm3);其他數(shù)學(xué)符號(hào)含義同前文。
該研究中,取L= 2.54(m),對(duì)不同材料占比下的跳高桿性能進(jìn)行有限元仿真分析。
跳高桿在體育器材中的實(shí)際意義是將運(yùn)動(dòng)員助跑動(dòng)能轉(zhuǎn)化為跳高桿本身的彈性勢(shì)能,經(jīng)過(guò)壺狀支點(diǎn)轉(zhuǎn)向后,將該彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)員的重力勢(shì)能,最終完成撐桿跳過(guò)程,當(dāng)前世界紀(jì)錄為男子6.16米,女子5.06米。即該跳高桿完全伸展后,男子運(yùn)動(dòng)員需要跳過(guò)桿頂1.66米距離,女子運(yùn)動(dòng)員需要跳過(guò)桿頂0.56米距離[5]。
使用ANSYS分析軟件,分為兩步對(duì)該跳高桿進(jìn)行兩個(gè)層次的分析,其一是測(cè)試跳高桿壓縮弧變與勢(shì)能蓄能的關(guān)系,其二是測(cè)試60kg運(yùn)動(dòng)員在不同助跑速度下的理論最大跳躍高度轉(zhuǎn)化比。而運(yùn)動(dòng)員在比賽中實(shí)際成績(jī),與其個(gè)人技術(shù)能力有關(guān)[6]。
比較項(xiàng)目為傳統(tǒng)的純玻璃纖維跳高桿與前文設(shè)計(jì)的纖維復(fù)合材料跳高桿,其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 跳高桿技術(shù)參數(shù)對(duì)照表Table 1 Comparison of technical parameters of high jump pole
表1中,傳統(tǒng)的玻璃纖維方案的結(jié)構(gòu)重量為2.117kg,配合前后保護(hù)套、握把護(hù)手等附加結(jié)構(gòu),其實(shí)際成型重量恰為2.250kg,符合國(guó)際田聯(lián)要求;而革新的復(fù)合纖維方案結(jié)構(gòu)重量為1.879kg,較傳統(tǒng)玻璃方案節(jié)約重量0.238kg,重量減輕11.2%。傳統(tǒng)體育器材設(shè)計(jì)思路下,根據(jù)國(guó)際田聯(lián)要求的最大重量,不應(yīng)出現(xiàn)如此大幅度的重量減輕幅度,但如果該方案的器械性能可以超越傳統(tǒng)的玻璃纖維方案,則更能證實(shí)復(fù)合纖維方案的優(yōu)勢(shì)。
在上述模型下,經(jīng)過(guò)ANSYS分析,兩套跳高桿實(shí)現(xiàn)方案的蓄能能力仿真情況如圖2所示。
圖2 跳高桿蓄能能力仿真分析結(jié)果圖Fig. 2 Simulation analysis results of energy storage capacity of high jump pole
圖2中,玻璃纖維方案的最大彈性蓄能能力為1027J,對(duì)應(yīng)撓度為2.11m,而復(fù)合纖維方案的最大彈性蓄能能力為1504J,對(duì)應(yīng)撓度為2.32m。假定運(yùn)動(dòng)員體重為60kg,根據(jù)動(dòng)能公式,實(shí)現(xiàn)兩種蓄能的助跑速度分別為5.85m/s和7.08m/s。即在傳統(tǒng)玻璃纖維模式下,運(yùn)動(dòng)員發(fā)揮跳高桿的最大蓄能能力,對(duì)其助跑速度并無(wú)嚴(yán)苛要求,而如果使用復(fù)合纖維方案,運(yùn)動(dòng)員應(yīng)獲得更高的助跑速度,該復(fù)合纖維方案可發(fā)揮出運(yùn)動(dòng)員的最大體能。
即該復(fù)合纖維方案,可以實(shí)現(xiàn)更低體重運(yùn)動(dòng)員通過(guò)實(shí)現(xiàn)更高的助跑速度,獲得更好的運(yùn)動(dòng)成績(jī),這與競(jìng)技體育“更高、更快、更強(qiáng)”的競(jìng)技理念相符。
前文圖2的分析結(jié)果中,如果運(yùn)動(dòng)員體重為60kg,在發(fā)揮跳高桿最大蓄能能力的前提下,如果實(shí)現(xiàn)能量的100%轉(zhuǎn)化,則傳統(tǒng)的玻璃纖維跳高桿支持下,運(yùn)動(dòng)員可跳過(guò)最大高度為1.74+4.50=6.24m,已經(jīng)可以突破當(dāng)前的男子世界紀(jì)錄6.16m。但如果在復(fù)合纖維跳高桿最大蓄能能力的前提下,如果實(shí)現(xiàn)能量的100%轉(zhuǎn)化,則運(yùn)動(dòng)員可跳過(guò)的最大高度為2.55+4.50=7.05m,該成績(jī)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前的男子世界紀(jì)錄。
因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員技術(shù)能力和動(dòng)作完成度的影響,其不可能實(shí)現(xiàn)助跑動(dòng)能的100%轉(zhuǎn)化,則應(yīng)考察器械可以提供的極限跳高高度的冗余度影響。以男子世界紀(jì)錄6.16m計(jì)算,在4.50m跳高桿的支持下,其動(dòng)能轉(zhuǎn)化勢(shì)能高度差至少應(yīng)達(dá)到1.66m,而傳統(tǒng)模式可以實(shí)現(xiàn)的最大高度轉(zhuǎn)化能力為1.74m,其冗余率為4.8%,而復(fù)合材料的最大高度轉(zhuǎn)化能力為2.55m,其冗余率為53.6%。
所以,采用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)跳高桿的技術(shù)升級(jí),對(duì)提升運(yùn)動(dòng)員成績(jī)有較為積極的意義,也對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練方式提出新的要求。
該研究通過(guò)使用碳纖維-玻璃纖維復(fù)合纖維材料,相比較傳統(tǒng)的純玻璃纖維材料,跳高桿質(zhì)量顯著減輕,最大撓度和最大蓄能能力顯著提升,運(yùn)動(dòng)員的理論最好成績(jī)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前世界紀(jì)錄。所以,使用該新型復(fù)合纖維材料跳高桿,輔以對(duì)應(yīng)的新型訓(xùn)練方法,對(duì)提升運(yùn)動(dòng)員跳高成績(jī)有積極意義。復(fù)合纖維材料對(duì)提升跳高桿器材性能有積極意義,在其他相關(guān)體育器材的材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)研究中,使用復(fù)合纖維材料也是當(dāng)前研究的重要突破點(diǎn)。