蹦床运动的动力学模拟与分析

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蹦床运动作为我国新开展的竞技体育项目,经过十多年的发展,技术水平已有了突飞猛进的提高,但与世界先进水平仍有一定距离。虽然体操等技巧性项目是我国传统的优势项目,许多训练方法和经验可向蹦床运动移植,但蹦床运动有其自身的训练规律。为了定量的认识人体蹦床起跳的运动机理、分析影响蹦床起跳的主要因素,本文从力学的角度对蹦床运动起跳阶段进行了研究并得出相应的分析结果,从而为教练员指导运动员训练提供科学而严谨的参考。本文首先对蹦床进行力学测试与数值模拟,然后利用多刚体动力学理论分析了蹦床运动中人体的动力学过程,进而在上述基础上进行了初步的人体一蹦床耦合分析与运动过程的优化分析。完成的工作与主要成果包括:  1.建立了可以模拟蹦床网面中心区域动力学特性的动力学数值模型,并与蹦床静力学与动力学实测数据进行了对比。由于蹦床结构较为特殊性导致用常规的建模方法难以实现,本文将蹦床模型合理的简化,选取运动员主要的跳跃区域--蹦床网面中心区域作为研究对象,利用阻尼弹簧质量系统模拟该区域的动力学特性。研究结果表明,本文所建立的蹦床动力学模型能够较为准确地模拟网面中心区域的动力学特性。蹦床的数值模型为人体-蹦床的耦合分析奠定了基础。  2.对某蹦床运动员的蹦床起跳过程进行了运动学数据采集与轨迹追踪。本文选取某蹦床运动员为研究对象,利用高速摄影机记录该运动员在蹦床起跳过程中的影像资料,并导入三维影像解析软件Ariel对人体蹦床起跳时的运动轨迹进行识别与追踪,获得该运动员关键位置标记点的实时轨迹,最终将人体的运动描述为几个关键位置点的运动。  3.利用MATLAB编制程序实现了人体在蹦床起跳过程中的动力学数值模拟。本文基于W.Blajer与A.Czaplicki提出的研究人体跳跃的动力学框架,将人体简化为适合模拟人体蹦床跳跃的平面四刚体模型,推导出描述该模型蹦床起跳过程中受力的动力学方程,并运用Matlab编制程序实现了该方程的数值求解。  4.验证分析了蹦床运动过程中人体与蹦床网面间的相互作用力。基于对蹦床进行力学测试所得出的人对网面的冲击力Fc;利用影像解析实验人体标记点的位移信息,代入描述人体蹦床跳跃过程的动力学方程得出的网面作用与人体的反作用力Ry,对Fc与Ry进行比较分析。运用人对网面的冲击力Fc求解人体与蹦床网面的动荷因数,以此来计算人体重心达到的最大高度,并与真实测量值进行对比。经分析发现,同时刻的Ry与Fc数值大小上较为吻合,在不清楚蹦床的动力特性的情况下,利用人体蹦床跳跃过程的动力学方程就可以算出人体对网面的冲击力;利用动荷因数计算的人体最大重心高度与实际测量值基本吻合,计算值与实际测量值的误差随着每个周期人体对蹦床网面的作用力的最大值的增加而减小。  5.对人体蹦床起跳过程中的关节受力进行了分析。基于人体在蹦床起跳过程中受力的动力学方程所得出的数值结果,对蹦床运动的优化问题进行了探讨,研究发现膝关节是蹦床运动员进行起跳时做功的主导关节,但是髋关节做功也有逐渐上升的趋势。
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