基于Adams世界优秀运动员男子标枪出手时的动力学仿真

陈铸 张建

摘 要： 为了提高标枪竞技的水平，简化投掷标枪的实验过程，本文运用Adams、Excel和AutoCAD软件联合对投掷标枪进行仿真分析，直观地观察投掷标枪的运行轨迹，对出手角度、出手速度和出手高度的仿真数据与实际数据进行了对比分析。结果表明，实际结果与仿真结果基本一致，所用方法可为教练员科学训练提供理论指导，为运动员的训练与发展提供科学依据。

关键词： Adams； 标枪； 动力学； 仿真

中图分类号：G824.119 文献标志码：A 文章编号：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，国内随着经济实力的增强以及训练水平的稳步提升，体育事业有了长足发展。标枪运动具有集技能、力量、速度和心理于一体的体育竞技项目，在标枪的实际赛事中，最远的投掷距离是核心问题，当标枪的出手高度和出手速度一定时，标枪的最优轨迹是实现这一核心问题的最佳方法。如何获得标枪最远距离的投掷，已成为专家和学者们研究的热点问题[1-3]。

标枪运动员的训练阶段具有多元化的特点，多元化的特点导致运动员在训练阶段的侧重点不一样。第一，由于标枪运动员训练阶段及身体机能的不同，形成标枪运动员发展之间的差异；第二，由于运动员个体之间原有的技能、职业情感与心理之间存在差异，也会形成标枪运动员训练阶段的差异。面对上述差异，教练员应根据实际情况为标枪运动员的训练提供有针对性的培养计划和方案，并参考运动员训练与比赛中的数据来指导运动员的标枪技术，提高其竞技水平，为运动员的训练与发展提供科学依据。本文以1995年世锦赛男子标枪决赛中前三名的最后出手阶段的参数为研究对象，运用Adams、Excel和AutoCAD软件联合对投掷标枪进行仿真分析，对进一步提高标枪运动的教学、训练有一定指导作用[4-6]。

1 标枪投掷的原理图

如图1所示，运动员通过持握标枪-准备-助跑-用力-平衡身体后，以出手速度V将标枪从C点投掷出，标枪在空气中做抛体运动，在空气升力、空气阻力和重力加速度的作用下，标枪落在D点。A点为运动员前脚着力点， B点的为标枪投掷起始位处的正投影点，C点为标枪的投掷起始位置，D点为标枪落地的结束位置，BC为投掷起始位置的高度h，α为出手角度，L1为运动员前脚与标枪的投掷起始位置之间的水平距离，L2为标枪投掷起始位置到标枪落地位置的水平距离。

2 仿真模型的建立

Solidworks和Adams的系统默认坐标系都是笛卡尔坐标系，因此建立的模型导入时视图方向不发生变化。本文采用Solidworks软件建立1：1正式比赛中使用的男子标准标枪的实体仿真模型，以标枪的中心建立直角坐标系，该模型由标枪和地面组成，将建好的模型以parasold（x_t）格式导入Adams中，如图2所示，仿真模型中part2为标枪，part3为地面，定义材料属性并赋值，投掷标枪的仿真模型的主要参数取值（IAAF1995的研究报告）[7-8]如表1所示，然后给仿真模型施加约束和载荷，地面和大地之间为固定副，标枪和地面之间为接触副，沿Y轴负方向施加重力加速度，最后施加空气升力、空气阻力以及标枪和地面之间的摩擦力[9-13]，Adams单位采用MMKS制。

3 仿真分析

为了便于描述，定义泽莱兹尼的出手参数为“样本1”，巴克利的出手参数为“样本2”，亨利的出手参数为“样本3”。该仿真过程的时间为5s，仿真步数为1000，图3为样本1的标枪做抛物运动时质心在水平方向的位移图，从图3可以看出，标枪在初速度的作用下，从投掷起始位置做抛体运动，在重力、空气阻力和升力合力作用下，最终标枪与地面接触，当标枪运行到3.55s时，标枪的抛物运动结束，从投掷的起始位置到结束位置标枪质心的水平距离为91.45m。同理，图4为标枪做抛物运动时质心在竖直方向上的位移图，当标枪运行到1.76s时，标枪运行至最高点，质心最高点距标枪投掷起始位置的垂直距离为14.96m，标枪运行到3.55s时，标枪运行至最低点，质心最低点距标枪投掷起始位置的垂直距离为0.75m。

图5为样本2的标枪做抛物运动时质心在水平方向的位移图，从图5可以看出，同样本1所述，当标枪运行到3.5s时，其抛物运动结束，从投掷的起始位置到结束位置标枪质心的水平距离为85.02m。图6为标枪做抛物运动时质心在竖直方向上的位移图，同样本1所述，当标枪运行到1.73s时，标枪运行至最高点，质心最高点距标枪投掷起始位置的垂直距离为14.39m，标枪运行到3.5s时，标枪运行至最低点，质心最低点距标枪投掷起始位置的垂直距离为0.99m。

图7为样本3的标枪做抛物运动时质心在水平方向的位移图，从图7中可以看出，同样本1所述，当标枪运行到3.56s时，标枪的抛物运动结束，从投掷的起始位置到结束位置标枪质心的水平距离为85.01m。图8为标枪做抛物运动时质心在竖直方向上的位移图，同样本1所述，当标枪运行到1.75s时，标枪运行至最高点，质心最高点距标枪投掷起始位置的垂直距离为14.94m，标枪运行到3.56s时，标枪运行至最低，质心最低点距标枪投掷起始位置的垂直距离为1.01m。

4 轨迹曲线的创建及导入

在Adams中创建标枪的marker点（在标枪质心处）相对于地面的轨迹曲线，轨迹曲线如图9所示，修改标枪的轨迹曲线数据的属性并以.txt格式保存，由于Adams和Excel中的曲线无法测量和标注关键尺寸，因此将Excel生成标枪轨迹相对应的坐标值导入到AutoCAD中，如图10所示，最后对AutoCAD中的生成轨迹曲线进行关键尺寸测量并标注，关键参数的对比数据如表2所示。

5 结论

本文运用ANSYS、Excel和AutoCAD软件对投掷标枪进行仿真分析，对投掷标枪出手时的参数：出手角度、出手速度和出手高度，以及投掷距离进行仿真分析，得到以下结论。

出手高度：样本1、样本2和样本3均无误差。

投掷距离：样本1误差为正偏差，样本2、样本3的误差为负偏差，对应的误差分别为2.1%、1.5%和1.2%。

出手角度：样本1、样本2和样本3的误差均为正偏差，对应的误差分别为3.1%、3.3%和3.6%。

计算结果与仿真结果基本一致，上述误差主要是由测量误差、运动员的上肢全长及空气对标枪阻力和升力大小的设定值引起，所用方法精度高，可为教练员科学训练提供理论依据。本仿真有助于深入了解投擲标枪时出手高度、出手角度及出手速度对投掷距离的影响，有利于教练员科学运用技术手段，在实际训练中，根据运动员训练和比赛中的相关数据来改善运动员的标枪技术，提高运动员的竞技水平。为探索运动员投掷标枪过程提供了一种新方法。接下来有必要深入研究投掷过程中各关节的参数和出手时间、空气对标枪的升力及阻力等参数对标枪投掷距离的影响[14-16]。继而还可通过改变出手高度、出手角度和出手速度的不同参数，很方便的计算出相应条件下的标枪投掷距离，可有效且快捷地研究投掷标枪出手时的参数规律。

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