发光型塑格拼装地板的力学性能研究

吴红儒， 王 虹

(1.武汉体育学院 研究生院，湖北 武汉 430079; 2.武汉体育学院 体育工程与信息技术学院，湖北 武汉 430079)

发光型塑格拼装地板的力学性能研究

吴红儒1,2， 王 虹2

(1.武汉体育学院 研究生院，湖北 武汉 430079; 2.武汉体育学院 体育工程与信息技术学院，湖北 武汉 430079)

塑格拼装地板具有环保耐用、物美价廉以及运动性能卓越等优势，被广泛应用于体育场地。为了探究发光型塑格拼装地板的力学性能，针对发光型塑格拼装地板和普通塑格拼装地板分别建立三维模型，并运用有限单元法及数值模拟软件ANSYS分别进行力学性能研究。根据简化条件，仿真得到发光型塑格拼装地板和普通塑格拼装地板在正常使用过程中的力学性能参数，并进行对比分析，结果表明发光型塑格拼装结构符合使用标准。该项研究旨在为体育地板事业和环境友好型社会的发展做出一定贡献。

体育场地；体育地板；体育器材；发光型；塑格拼装地板；力学性能；数值分析

随着科技的发展及大众健身要求的提高，体育地板的标准和品质越来越被社会注重。体育地板的整体结构及表层性能正向着科技含量高、运动和保护性能好以及使用寿命长的方向发展。体育场馆经营的多元化，要求体育地板具备更多功能，以满足不同体育活动的需求[1]。

体育地板作为体育场地最重要的功能单元，在保护运动员、提高锻炼效果和运动体验等方面都起着至关重要的作用[1]。设计生产体育设施的首要原则是保障运动安全，而在提倡节约型社会的今天，室外运动场地照明设施极少，这给夜间参加户外锻炼的市民造成极大的不便，市民易摔跤造成伤害[2-3]。针对夜间室外场地缺乏光源的问题，2016年体育工程学术会议论文基于储能发光材料自发光特性，提出一种具有夜光功能的发光模块，并通过榫卯拼接嵌入塑格拼装地板，完成发光型塑格拼装地板的整体设计，这为室外运动场地提供了一种节能舒适、安全可靠的发光型体育地板,保障夜间运动安全[1]。

体育地板优良的力学性能是安全运动的有效保障，而塑格拼装地板力学性能很大程度上取决于地板结构的设计形式，因此研究体育地板结构的力学性能十分必要。对于发光型塑格拼装地板，同样需要进行结构的力学性能研究。

体育地板力学性能的研究是通过实验法或者数值分析法，对固定荷载下地板的总变形、等效应力和等效应变进行分析。本文基于数值分析法应用ANSYS软件，研究实际使用中发光型塑格拼装地板相较于普通塑格拼装地板的力学性能。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

发光型塑格拼装地板，通过普通塑格面板和面积较小的发光面板自由组合，实现体育地板发光功能。所有面板以聚丙烯为原材料，发光面板是在其基础上掺入储能自发光材料制成。

结合实际使用中地板主要承受切向力的特点，设计数值模拟方案。

普通塑格拼装地板(A组)由9块普通塑格面板拼装组成，如图1(a)所示。发光型塑格拼装地板(B组)包括25块发光面板和8块普通塑格面板，如图1(b)所示。A组以位于模型正中心的普通塑格面板A1为研究对象，在B组中，B1作为研究对象，包括25块发光面板。添加除研究对象外的8块普通塑格面板，是考虑到边界效应对数值模拟的影响。

图1 普通与发光型塑格拼装地板简化模型

1.2 有限元分析

有限元分析程序包括前处理、计算求解和后处理。前处理是建立有限元模型，设置材料特性、单元划分、设置边界条件及负载条件。计算求解包括矩阵计算等，后处理是将得到的结果数据，用图形界面以各种不同的表示方式如等位图、等应力图等表示出来。根据分组，分别进行数值分析。

1.2.1 几何建模

SolidWorks是目前被广泛采用的CAD/CAE/CAM三维软件，利用SolidWorks建模可以精确、真实构建物理原型，保证仿真精度。文中应用Solid Works 2012建立A组和B组的3d模型，并根据数值分析建模要求进行简化处理，如图1所示。假设普通及发光型塑格拼装地板均采用聚丙烯，且聚丙烯为各向同性。具体尺寸以及材料参数如表1所示。

表1 模型尺寸参数与聚丙烯材料参数

长(mm)宽(mm)高(mm)泊松比弹性模量(MPa)普通塑格拼装面板750[2]750[2]15[2]发光型塑格拼装面板750[2]750[2]15[2]0．41[12]896[12]

1.2.2 网格划分

根据模型结构简单且规则的特点，结构分析网格精度要求，以及六面体网格在计算精度、变形特性、划分网格数量和抗畸变程度等方面的明显优势。采用六面体主导网格划分法，在Meshing模块中进行网格质量控制，并得到六面体和四面体的混合网格模型，如图2所示，A组模型单元数374 031，节点1 619 710，B组模型单元数386 020，节点数1 656 361，两组模型节点和单元数量相近。

进行网格划分后，分析网格质量柱状图。柱状图衡量准则为网格的边长比，横坐标即为边长比比值，横坐标由0到1，网格质量由坏到好，纵坐标显示网格数量，网格数量与矩形条成正比，图中的值越接近1，说明网格质量越好[9]。如图3所示，可知A组与B组网格质量值集中在0.95，网格质量优良。

图2 研究对象网格模型

图3 整体模型网格质量柱状图

1.2.3 边界条件

体育地板日常使用中，跨步急停、急停转身及急停跳投等战术动作使地板承受很大的切向力，而切向力是影响地板稳定性的主要因素，因此假设基本工况为研究对象受到相邻两块承受切向力F的塑格面板C1和C2的作用，根据牛顿第三定律，反作用力F′作用在研究对象上，如图4(a)所示，其中P为F′的均布力形式。切向力F由使用者质量M、地板摩擦系数μ决定，具体数据如下：使用者平均体重M=90kg,g=10N/kg,μ=0.5。(现有体育场地建设摩擦系数标准为不高于0.5，取最大值[1])则切向力拟采用数值为：

F′=Mg′=450N

(1)

根据公式可知均布力:

P=F′/S=0.12MPa

(2)

根据ANSYS边界条件设置特点，对模型底面在-Z方向进行约束，参数设置为x=free,y=free,z=0,并对研究对象X方向上的两个侧面添加载荷P，如图4所示。

图4 边界条件设置

边界条件设置完成后，添加总变形、等效应变、等效应力三个待求解项，并进行求解计算。通过ANSYSWorkbench后处理，可得模拟工况下，研究对象A1和B1的总变形、等效应变、等效应力分布，如图5～7所示。图8～10分别是整体模型A和B的力学分布。

图5 研究对象总变形云图

图6 研究对象等效应变云图

图7 研究对象等效应力云图

图8 整体模型总变形云图

图9 整体模型等效应力云图

图10 整体模型等效应力云图

2 研究结果与分析

立足于研究两种地板结构力学参数的分布规律以及数值变化情况，分别对研究对象A1与B1，整体模型A与B进行有限元计算。对比后显示普通塑格拼装地板与发光型塑格拼装地板的结构在特定切向力作用下，总变形、等效应力以及等效应变的分布特点一致，数值相近，说明发光面板模块具有与普通面板相同的力学性能。

2.1 研究对象(A1/B1)结果分析

从图5可以看出，最小总变形分布在B1面板中心部分，为2.9×10-5mm,这与普通地板结构A1最小总变形分布在面板中心的结论一致，原因是塑格面板在形状急剧变化的榫卯结构存在刚性约束，应力集中明显，而面板中心不具备应力集中的结构条件。同时，B1总变形整体分布呈现由中心向X轴方向递增扩散的规律，最大值分布在榫卯拼装结构处，这与普通地板结构A1分布特征一致。从图6和图7分别可以看出，A1和B1的等效应变和等效应力，在Y轴方向上呈现出较为微弱的从中间向两边递减扩散趋势，最小等效应变和等效应力出现在Y轴方向上的榫卯结构。这与我们仿真计算时作用力施加的方向有关，如果我们改变切向力施加方向为Y方向，则最小等效应变和等效应力出现在X轴方向上的榫卯结构。因此在进行塑格拼装结构设计时特别需要注意拼装结构的力学性能，优先基于拼装连接结构的力学性能设计和选择材料。对比两组计算数据，从表2计算结果统计表可以看出，总变形变化百分比为负数，分别为-0.04%，[4]-58.28%，说明B1的结构相较于A1，在一定程度上利于提高结构的抗变形能力。等效应力以及等效应变的变化百分比在0.5%左右，说明A1和B1的等效应力及等效应变数值非常接近，但普通地板结构的等效应力以及等效应变极值要小于发光地板结构。这表明总面积相同时，若干发光面板拼装的地板结构在总变形方面略优于单块普通地板结构，在等效应力以及等效应变极值方面略逊于单块普通地板结构。

表2 研究对象结果统计

研究对象值类型B1较A1变化百分比总变形(mm)最大-0．04最小-58．28等效应变(mm)最大0最小0．648等效应力(MPa)最大0．34最小0．45

2.2 整体模型(A/B)结果分析

A组和B组的整体模型区别在于研究对象的不同。

从图8可以看出，B组中最大总变形出现在X轴方向上榫卯拼装结构的中间位置，达到3.65×10-3mm，最小总变形分布在模型四个边角和中心研究对象上，为2.9×10-5mm。在不考虑四个边角的情况下，整体分布呈现出由模型中心沿X轴方向递增扩散的规律，四个边角则呈现越靠近模型中心数值越大的特点，这与特定切向力的加载方向和拼装结构的应力集中有关。同时，B组与A组普通塑格拼装地板总变形分布特征一致。从图9和图10分别可以看出，A和B的等效应变和等效应力在Y轴方向上，呈现出由中间向两边递减扩散趋势，最小等效应变和等效应力主要出现在Y轴方向的榫卯结构部分。从表3可以看出，除最小总变形外，变化百分比在0.5%左右，说明B与A的力学性能水平一致。最小总变形为-58.28%分布在研究对象上，说明嵌入的发光面板一定程度上减少了结构变形量，增大了等效应力以及等效应变极值。

表3 整体模型统计表

值类型B较A变化百分比总变形(mm)最大0最小-58．28等效应变(mm)最大0最小0等效应力(MPa)最大0．34最小0．45

3 结论

根据塑格拼装类地板在体育运动中的工作条件，在合理假设基础上建立了三维模型，并应用有限元法，对跨步急停等战术动作下，承受了巨大切向力的发光型与普通塑格拼装地板，利用分析软件ANSYS进行数值分析，模拟了特定条件下地板的最大变形，等效应力以及等效应变。

仿真研究表明，若干发光面板拼装的发光模块，与相同面积的单块普通面板模块相比，二者力学性能一致，但前者在减少总变形方面略有优势，在等效应力以及等效应变极值方面略逊于后者。其次，发光型与普通塑格拼装结构具有相同的力学性能及分布特点，且在榫卯拼装结构部分，应力集中明显。研究显示发光面板的嵌入不会降低塑格拼装地板的力学性能，进而论证了发光型塑格拼装结构是符合使用标准的结构设计形式。计算结果能反映发光型塑格拼装地板的力学性能状况，从而指导和改进设计。

体育器材的力学性能是影响体育赛事成绩的客观因素，国内外体育领域的科研工作者要进一步运用数值分析法，对体育器材进行辅助设计开发。

[1] 陈豪杰,李黎.体育地板的功能指标及我国体育地板的现状[J].木材加工机械,2006(4):44-46.

[2] 吴红儒,王虹.发光型塑格拼装地板的创新设计[C].第七届中国体育工程学术会议论文集.上海,2016.

[3] 王虹,郑伟涛,王季安,等.一种用于塑格拼接地板的发光组合标识条[P].中国,201420395765.5,2014-12-17.

MechanicalPropertiesofGleamyPlasticAssembledFloor

WU Hongru1,2, WANG Hong2

(1.Graduate Dept., Wuhan Sports Univ., Wuhan 430079, China; 2.Sports Engineering and Information Technology Dept., Wuhan Sports Univ., Wuhan 430079, China)

The plastic assembled floor is widely used in sports stadiums in China for its durability, low cost and good function. The paper constructs 3D models of gleamy plastic assembled and traditional plastic assembled floor and uses finite element method and ANSYS to analyse their mechanical properties. Through comparison of the analysis results, the paper points out that the the structure of gleamy plastic assembled floor is more up to the standard.

sports stadium; sports floor; sports facility； gleamy type; plastic assembled floor; mechanical function; data analysis

G80-05

A

1672-268X(2017)05-0087-04

2017-08-23)

湖北省教育厅科学研究计划(Q20154101)。

吴红儒(1993-)，硕士研究生，研究方向：体育工程。