[發(fā)明專利]基于數(shù)值模擬的速滑冰刀形變量化計算方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211196371.2
• 申請日: 2022-09-29
• 公開（公告）號: CN115495851A
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉干;韓銳;藺世杰;鄭偉濤;馬勇;蒙延榮;劉林;賈孟堯;黃銳峰;黃昱
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢體育學(xué)院;西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 鄭勤振

公開了一基于數(shù)值模擬的速滑冰刀形變量化計算方法，包括：構(gòu)建冰刀三維實體模型；將冰刀三維實體模型導(dǎo)入到有限元網(wǎng)格劃分軟件，進行冰刀各部分的網(wǎng)格劃分以及冰網(wǎng)格構(gòu)建，建立速滑冰刀?冰網(wǎng)格模型；在有限元網(wǎng)格劃分軟件中設(shè)置冰刀各部分相互關(guān)系，建立冰刀刀刃與冰面之間的摩擦接觸，賦予冰刀各部分及冰的材料屬性，設(shè)置運動耦合約束及固定邊界條件，施加蹬冰力、蹬冰方向，并進行分析步的設(shè)置，最后創(chuàng)建輸出文件；將有限元網(wǎng)格劃分軟件的輸出文件導(dǎo)入有限元數(shù)值模擬軟件，進行冰刀的形變計算。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確模擬速度滑冰過程中冰刀形變的真實情況，為速度滑冰運動員技術(shù)動作和力量的發(fā)揮提供指導(dǎo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)力學(xué)及其數(shù)值模擬技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于數(shù)值模擬的速滑冰刀形變量化計算方法。

背景技術(shù)

冰刀是速度滑冰運動的基礎(chǔ)裝備，速度滑冰過程中冰刀的形變將直接影響運動員的技術(shù)動作、力量的發(fā)揮及運動功效。速滑冰刀由刀橋、前支架、支撐座、刀管和刀片五部分組成，隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，速滑冰刀各部分的材料也在不斷更新優(yōu)化，推動著冰刀性能不斷提升。速度滑冰運動過程中的前進動力來源于運動員向左后方或右后方蹬冰產(chǎn)生的蹬冰力。冰刀材料、蹬冰力和蹬冰角度會影響速滑過程中冰刀的形變，而冰刀的形變對運動員的技術(shù)動作、力量的發(fā)揮及運動功效有較大影響。因此，如何對速度滑冰過程中冰刀形變進行量化，是當(dāng)前開展速滑冰刀材料選擇及蹬冰技術(shù)優(yōu)化研究所面臨的重要問題。

現(xiàn)階段，對于速滑冰刀形變特征的理論研究與實踐經(jīng)驗極其缺乏。一方面，速滑冰刀刀橋、前支架、支撐座、刀管和刀片等各部分所使用的材料并不一致，在研究材料特性對速滑冰刀形變的影響時，需要先針對冰刀各個部分研制多種材料，再將各種材料加以組合搭配并制造成真實速滑冰刀，然后再開展材料對速滑冰刀形變的影響分析，此過程需要耗費大量時間調(diào)試各部分材料的工藝參數(shù)，效率低；另一方面，速滑冰刀的形變量較小，且在速滑運動過程中，運動員會采用多種蹬冰姿態(tài)進行蹬冰，現(xiàn)實情況中無法實時采集運動員在高速滑行下因采用多種蹬冰力、蹬冰角度而引起的冰刀較小形變量，也就無法開展運動員運動過程中速滑冰刀形變的量化分析。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明公開了一種基于數(shù)值模擬的速滑冰刀形變量化計算方法，實現(xiàn)對速滑冰刀形變的量化，能夠系統(tǒng)研究不同冰刀材料、不同蹬冰力、不同蹬冰角度下速滑冰刀的形變特征，對顯著提升速滑冰刀的力學(xué)性能，全面提高速度滑冰運動效率提供理論和技術(shù)支撐。

根據(jù)本發(fā)明實施例一方面，提供一基于數(shù)值模擬的速滑冰刀形變量化計算方法，包括：

利用三維建模軟件對冰刀的刀橋、前支架、支撐座、刀管和刀片進行建模，構(gòu)建冰刀三維實體模型；

將建立的冰刀三維實體模型導(dǎo)入到有限元網(wǎng)格劃分軟件，利用有限元網(wǎng)格劃分軟件進行冰刀各部分的網(wǎng)格劃分以及冰網(wǎng)格構(gòu)建，建立速滑冰刀-冰網(wǎng)格模型，在對速滑冰刀各部分進行網(wǎng)格劃分時，將冰刀的刀橋、前支架、支撐座和刀片實體切割為若干單元，并進行幾何模型的清理，再進行六面體網(wǎng)格劃分，得到刀橋、前支架、支撐座和刀片的規(guī)則六面體實體網(wǎng)格模型，在冰刀的刀管表面布規(guī)則三角形網(wǎng)格，再進行刀管四面體實體網(wǎng)格的劃分，待四面體實體網(wǎng)格劃分完畢，刪除刀管表面三角形網(wǎng)格，得到冰刀刀管的四面體實體網(wǎng)格模型；

在有限元網(wǎng)格劃分軟件中設(shè)置冰刀刀橋、前支架、支撐座、刀管和刀片相互關(guān)系，建立冰刀刀刃與冰面之間的摩擦接觸，賦予冰刀刀橋、前支架、支撐座、刀管和刀片以及冰的材料屬性，設(shè)置運動耦合約束及固定邊界條件，施加蹬冰力、蹬冰方向，并進行分析步的設(shè)置，最后創(chuàng)建輸出文件；

將有限元網(wǎng)格劃分軟件的輸出文件導(dǎo)入有限元數(shù)值模擬軟件，進行冰刀的形變計算，得到冰刀各部分的形變云圖和速滑冰刀任意局部或部件的形變特征。

在一些示例中，冰網(wǎng)格構(gòu)建方法包括：

從冰刀六面體實體網(wǎng)格中找到冰刀表面網(wǎng)格，刪除冰刀側(cè)面和上表面網(wǎng)格，保留冰刀與冰面接觸部分刀刃表面網(wǎng)格，將刀刃表面網(wǎng)格從冰刀六面體實體網(wǎng)格中分離；