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人体—标枪系统对标枪飞行初始条件的影响及标枪飞行的计算机模拟

陈红英  
【摘要】: 本文主要研究了人体-标枪系统对标枪飞行初始条件的影响,并且在考虑空气阻力的情况下对标枪的飞行进行了计算机模拟。首先从掷标枪的起源、技术原理和力学原理等方面介绍了掷标枪运动,对有关标枪投掷技术研究方面的文献进行了综述。纵观近几十年来国内外学者对标枪投掷技术的研究和分析,了解到以往的研究主要集中在对掷标枪技术的某一个局部方面的研究,对技术的分析还缺乏系统性,因而有待于进一步的研究。其次,对多刚体系统动力学理论的研究对象、研究范围、研究方法以及有关空气动力学理论进行了介绍。再次,以多刚体系统动力学理论为基础,建立了由五个刚体组成的人体-标枪系统的力学模型,并且利用动力学普遍定理推导了该系统的动力学方程,得出了作用在刚体的力矩与各刚体间相对角度之间的关系,进而间接描述了人体-标枪系统对标枪飞行的初始条件的影响。最后,本文采用文献[22]中的标枪几何尺寸数据,利用Ansys软件中的流-固耦合功能对其飞行过程进行了计算机模拟。在建立了标枪有限元模型的基础上对其周围的空气建立了空气包有限元模型,同时设置了它们的材料属性和单元属性,空气对标枪的作用,并添加了重力场,风对标枪的作用力等载荷以及改变标枪飞行的初始条件(初速度、出手角度、初始攻角以及初始俯仰角速度)。使用LS-DYNA求解器对其进行求解,再使用LSTC/LSPOST处理器进行数据处理。 模拟结果表明,(1)在本文的研究范围内且在其它初始条件不变的情况下,初速度与标枪的飞行远度基本上呈线性关系;(2)在其它初始条件不变的情况下,标枪的出手角度在0°~42°范围内时,随着出手角度的增加,标枪的飞行远度基本上是不断增加的,但是超过42°以后,其增加的幅度有减小的趋势。由模拟结果知,标枪的最佳出手角度大约在42°左右:(3)在其它初始条件一定的情况下,初始俯仰角速度小于0时标枪飞行的远度要更远一些。最佳初始俯仰角速度大约在-0.26rad/s~-0.17rad/s范围内;(4)在其它初始条件一定的情况下,初始攻角的变化对标枪飞行远度的影响并不十分显著。并且,在初始攻角与初始俯仰角速度的不同组合中,当“B_0=42°、A_0=-8°、W_(Z0)=-0.09rad/s”时,标枪的飞行远度最大,达到91.794m。当初始条件偏离这一组合时,飞行远度有所减小;(5)风对标枪的飞行远度的影响比较显著。对于逆风来说,在其它初始条件一定的情况下,随着逆风风速的增大,标枪的飞行远度呈现出减小的趋势。但是,在同样的逆风风速下,当初始条件中的出手角度不断增大,标枪的飞行远度又不断增加,当出手角度增大到42°时,它的飞行远度又有所减小。


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