蹦床運(yùn)動員網(wǎng)面垂直起跳動作的多剛體建模分析.pdf

1、蹦床運(yùn)動是指人體借助蹦床網(wǎng)面的彈力在空中做各種技巧性動作的一項運(yùn)動項目。其中垂直起跳動作是蹦床運(yùn)動的基礎(chǔ)動作，也是關(guān)鍵因素，垂直起跳動作完成的好壞，直接決定了整套蹦床運(yùn)動分值的高低。本文的研究目的是研究蹦床運(yùn)動員如何能夠在垂直起跳的蹬網(wǎng)過程中，利用蹦床網(wǎng)面的彈性性能，用最佳的蹬伸持續(xù)時間，得到最佳的蹬伸力，并由此實(shí)現(xiàn)最佳的彈跳高度。現(xiàn)有的研究報道，大部分從實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗和技術(shù)動作理論方面進(jìn)行研究，很少涉及到有限元建模和人體動力學(xué)建模分析。本文

2、在對蹦床網(wǎng)面和蹦床運(yùn)動員垂直起跳動作進(jìn)行實(shí)驗測試分析的基礎(chǔ)上，建立了蹦床網(wǎng)面的有限元模型，并分別建立了分析運(yùn)動員蹬伸過程的二剛體和七剛體動力學(xué)模型。
　　本文主要完成了以下幾個工作：
　?。?）對國際蹦床比賽所用的彈性網(wǎng)面進(jìn)行了力學(xué)性能測試分析，得到了網(wǎng)面不同位置處的荷載-垂直位移曲線，以及對應(yīng)的垂直剛度系數(shù)，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)擬合得到1/4網(wǎng)面的垂直剛度分布方程；用ABAQUS軟件對蹦床網(wǎng)面進(jìn)行模擬，結(jié)合靜載數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析，得到

3、了網(wǎng)面的等效彈性模量。結(jié)果表明，對于整個網(wǎng)面，越到中間，垂直剛度系數(shù)越小，即網(wǎng)面中間區(qū)域最軟，越到邊上區(qū)域網(wǎng)面越硬；位移和應(yīng)力從網(wǎng)面受力點(diǎn)向四周逐漸減小，而對角線為應(yīng)力峰值線。用等效彈性模量作為網(wǎng)面的材料參數(shù)進(jìn)行有限元模擬計算，所得荷載-位移曲線與實(shí)驗數(shù)據(jù)吻合較好。實(shí)驗結(jié)果為蹦床運(yùn)動的動力學(xué)分析提供了力學(xué)性能參數(shù)，為運(yùn)動員技術(shù)的提高和蹦床網(wǎng)面的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。
　?。?）通過獨(dú)立使用高清攝像機(jī)和使用Vicon2.1動

4、作捕捉系統(tǒng)兩種測量方法，分別對蹦床運(yùn)動員從空中下落到著網(wǎng)直至入網(wǎng)到最深處的過程進(jìn)行拍攝，并對所拍攝視頻進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析測試，得到了運(yùn)動員身體各個部分質(zhì)心位置在蹬伸過程各個時刻的位移、速度和加速度等運(yùn)動學(xué)參數(shù)。對比兩種測量方法，用高清拍攝（下落高度4.03 m）得到的蹬伸過程的持續(xù)時間和最大踩網(wǎng)深度分別為：0.15 s，0.85 m，用Vicon2.1拍攝（下落高度4.12 m）得到的蹬伸過程的持續(xù)時間和最大踩網(wǎng)深度分別為：0.17 s，0

5、.86 m。考慮到兩組實(shí)測數(shù)據(jù)所對應(yīng)的運(yùn)動員下落高度的差異，這兩種方法測試所得運(yùn)動員的運(yùn)動學(xué)參數(shù)基本是相同的。以上測試結(jié)果可用于運(yùn)動員垂直起跳動作的動力學(xué)分析。
　?。?）建立了蹦床運(yùn)動員的二剛體運(yùn)動分析模型，對運(yùn)動員為獲得最大踩網(wǎng)深度所需要的控制力進(jìn)行了分析求解。以蹦床運(yùn)動員膝關(guān)節(jié)為界限，分為上下兩個剛體，兩個剛體之間通過肌肉控制力連接。在建模過程中，假設(shè)運(yùn)動員的控制力在踩網(wǎng)過程中為兩個階躍載荷，即通過兩個定常的控制力將蹦床運(yùn)動

6、員的入網(wǎng)過程簡化為兩個階段。通過受力分析，列出相應(yīng)的動力學(xué)方程，最終用數(shù)值優(yōu)化方法確定了該蹦床運(yùn)動員從4 m高落下后的踩網(wǎng)最大深度為92.65 cm，踩網(wǎng)最佳持續(xù)時間為0.14 s，第一階段的最佳控制力為1300 N，第二階段的最佳控制力為3400 N。計算結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果比較吻合，驗證了所建二剛體模型用于分析踩網(wǎng)深度的有效性。通過二剛體模型，可對不同的蹦床運(yùn)動員垂直起跳的踩網(wǎng)過程進(jìn)行理論分析，并為以后建立更為精確的模型提供了一種思路。<

7、br>　?。?）將運(yùn)動員分為7個部分，即頭、軀干、大腿、小腿、足、上臂和前臂，建立了垂直起跳運(yùn)動的七剛體模型，根據(jù)力學(xué)原理，建立了相應(yīng)的運(yùn)動微分方程組；將內(nèi)容（2）中的Vicon2.1系統(tǒng)軟件測試得到的人體各部分的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)代入上述運(yùn)動微分方程進(jìn)行計算分析，得到了運(yùn)動員的蹬伸力與踩網(wǎng)深度之間的關(guān)系，將此結(jié)果與根據(jù)實(shí)測網(wǎng)面特性計算的彈性反力進(jìn)行對照，兩者吻合較好，從另一個側(cè)面印證了模型的正確性。該模型為蹦床運(yùn)動的垂直起跳技巧研究提供了分析