基于Adams运动员苏欣悦的铁饼出手时的动力学仿真

陈 铸 张 建



基于Adams运动员苏欣悦的铁饼出手时的动力学仿真

陈 铸 张 建

（毕节市工业学校，贵州 毕节 551700）

为提高铁饼竞技的水平，简化投掷铁饼的实验过程，运用Adams、Excel和AutoCAD软件联合对投掷铁饼进行仿真分析，直观地观察了投掷铁饼的运行轨迹，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：出手高度，实际数据1.58m，仿真数据1.58m，无误差；投掷距离，实际数据64.27m，仿真数据63.93m，误差为0.5%；出手角度，实际数据32.2°，仿真数据32.6°，误差为1.2%，实际结果与仿真结果基本一致。因此，所用方法精度高，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。此方法还可通过改变出手高度、出手角度和出手速度的不同参数,很便捷地计算出相应条件下铁饼的投掷距离。

Adams；铁饼；动力学；仿真

铁饼运动具有集技能、力量、速度和心理于一体的体育竞技项目，在铁饼的实际赛事中，最远的投掷距离是核心问题，当铁饼的出手高度和出手速度一定时，铁饼的最优轨迹是实现这一核心问题的最佳方法。如何获得铁饼最远距离的投掷，已成为专家和学者们研究的热点问题[1-3]。

铁饼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，由于铁饼运动员训练阶段及身体机能的不同，形成铁饼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，也会形成铁饼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铁饼运动员的训练提供有针对性的培养计划和方案，并根据运动员训练与比赛中的相关数据来指导运动员的铁饼技术，提高运动员的竞技水平，为运动员的训练与发展提供科学依据。本文以苏欣悦铁饼投掷成绩为64.27米的最后出手阶段的参数为研究对象，运用Adams 、Excel和AutoCAD软件联合对投掷铁饼进行仿真分析，对进一步提高铁饼运动的教学、训练有一定指导作用[3-5]。

1 铁饼投掷的原理图

如图1所示，运动员通过持握铁饼——准备——旋转——用力——平衡身体后，以出手速度V将铁饼从C点投掷出，铁饼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，铁饼落在D点。A点为运动员前脚着力点， B点的为铁饼投掷起始位处的正投影点，C点为铁饼的投掷起始位置，D点为铁饼落地的结束位置，BC为投掷起始位置的高度h，α为出手角度，L1为运动员前脚与铁饼的投掷起始位置之间的水平距离，L2为铁饼投掷起始位置到铁饼落地位置的水平距离。

图1 投掷铁饼原理

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正式比赛中使用的女子标准铁饼的实体仿真模型，以铁饼的中心建立直角坐标系，该模型由铁饼和地面组成，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为铁饼，part3为地面，定义材料属性并赋值，投掷铁饼的仿真模型的主要参数取值如表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，铁饼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、空气阻力以及铁饼和地面之间的摩擦力[6-10]，Adams单位采用MMKS制。

图2 仿真模型

表1 出手时投掷铁饼的基本参数

参数铁饼密度kg·m3铁饼的重量kg铁饼的直径m出手高度m出手角度°合速度m/s自转角速度rad/s投掷实际距离m 取值1.5×10310.1811.5832.224.05458.664.27

3 仿真分析

该仿真过程的时间为5s，仿真步数为1000，图3为铁饼做抛物运动时的水平方向的位移图，从图3中可以看出，当铁饼运行到2.84s时，铁饼的抛物运动结束，从投掷的起始位置到结束位置的水平距离为63.93m。图4为铁饼做抛物运动时的竖直方向上的位移图，当铁饼运行到1.36s时，铁饼运行至最高点，最高点距铁饼投掷起始位置的垂直距离为8.95m，铁饼运行到2.84s时，铁饼运行至最低点，最低点距铁饼投掷起始位置的垂直距离为1.58m，然后铁饼和地面发生碰撞接触，碰撞后铁饼反弹后又一次和地面碰撞，最后在地面上滚动，在与地面的摩擦力和空气阻力作用下最终停止，铁饼运行停止前的轨迹局部放大如图5所示。

图3 X方向的位移

图4 Y方向的位移

4 轨迹曲线的创建及导入

在Adams中创建铁饼的marker点（在铁饼质心处）相对于地面的轨迹曲线，轨迹曲线如图 6所示，修改铁饼的轨迹曲线数据的属性并以.txt格式保存，由于Adams和Excel中的曲线无法测量并标注关键尺寸，因此将Excel生成铁饼轨迹相对应的坐标值导入到AutoCAD中，最后对AutoCAD中生成轨迹曲线进行关键尺寸测量并标注，如图7所示。从图7可以看出，出手高度为1.58m，出手角度为32.6°，投掷距离为63.93m。

图5 铁饼轨迹局部放大

图6 铁饼轨迹

图7 轨迹测量标注

5 结论

本文运用ANSYS、Excel和AutoCAD软件对投掷铁饼进行仿真分析，分析了出手角度、出手速度及出手高度在铁饼投掷过程中进行仿真分析。得到以下结论：出手高度，实际数据1.58m，仿真数据1.58m，无误差；投掷距离，实际数据64.27m，仿真数据63.93m，误差为0.5%；出手角度，实际数据32.2°，仿真数据32.6°，误差为1.2%。

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、铁饼的自转加速度及空气对铁饼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掷铁饼时出手高度、出手角度及出手速度对投掷距离的影响，有利于教练员运用科学技术手段，在实际训练的过程中，并根据运动员训练与比赛中的相关数据来改善运动员的铁饼技术，提高运动员的竞技水平。为探索运动员投掷铁饼过程提供了一种新方法。有必要进行深入研究投掷过程中各关节的参数和出手时间、空气对铁饼的升力及铁饼的自转角速度等参数对铁饼投掷距离的影响[1-6]。此方法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铁饼投掷距离, 可有效快捷地研究投掷铁饼出手时的参数规律。

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Dynamics Simulation of the DiscusThrowing of Athlete SU Xinyue based on Adams

CHEN Zhu, etal.

(Bijie Polytechnic School, Bijie 551700, Guizhou, China)

陈铸（1972-），本科，讲师，研究方向：体育教学。