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速滑蹬冰力测试系统研究

望斌  
【摘要】:传感器技术,通信技术和计算机技术是现代信息产业的三大支柱技术,它们分别构成了信息技术系统的“感官”,“神经”,和“大脑”。因此,传感器是信息采集系统的首要部件,传感器技术是现代信息社会的重要技术基础。 电阻应变式传感器以其优越的性能价格比和抗干扰能力在机械量测量技术领域得到广泛应用,并成为发展测力与称重的主流。 运动生物力学是研究运动中人体机械运动规律的学科,它将人体运动和运动原因统一起来进行研究。运动生物力学最终目的是:阐明各种运动项目的力学原理,为改进运动技术提供理论依据。 本文研究的课题尝试将传统的电阻应变式测力传感器应用在运动生物力学的研究领域中,测量滑冰运动员在蹬冰过程中的蹬冰力,为研究滑冰运动规律,改进技术和指导训练提供理论依据。 本文主要用有限元方法对传感器弹性体进行建模,用有限元方法指导设计传感器测试方案,进行实验,研究传感器的特性。并且提出研究的改进方案。 蹬冰是运动员滑行的动力,是速度的源泉。蹬冰的功量主要取决于身体重心横向移动的速度,这—横向移动速度又来自于蹬冰的侧向分力。蹬冰力侧向分力决定做功效果,它加快了身体重心移动速度,从而导致蹬冰结束时速度的增加。 滑冰运动的技术分析方法大体可分为两种:生物力学分析法和技术观察分析法。生物力学分析是以生物力学及人体解剖学原理对速滑技术动作进行分析的一种方法。采用此种方法.要在对技术动作进行必要的测量和计算后,以精确的定量数据进行分析。如何分析蹬冰动作合理、有效,并达到最佳蹬冰效果,主要的标准是分析蹬冰力的时间曲线,看其是否符合生物力学原理和蹬冰理论。 传感器的特性一般可分为静态特性和动态特性。传感器的静态特性主要包括线性度、灵敏度、重复性。传感器的动态特性研究动态特性一般从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。 弹性元件应满足的要求:元件任何部分的应力不超过材料弹性极限,粘贴应变计的部位应有足够大的应变量,变形量尽量小,一般要求自振频率较高。 该测试系统的目的是测试运动员在实际训练中的蹬冰力数据。为了实现这个目的,我们选择将整个测试系统直接做到运动员所穿的冰鞋上。冰刀前部固 WP=84 定铰链的部分和后面脚跟部分在运动员蹬冰时将发生的变形,且在其上贴应变片与连接电桥也是可行的,所以选取这两个部分作为弹性体的研究对象。 现有的弹性力学对于这种不规则的弹性的计算是很困难的,随着有限元理论的发展,人们对于分析复杂结构有了一个有力的工具,那就是有限元分析。本文用有限元的方法来对弹性体进行分析。 使用有限元分析软件ANSYS进行弹性元件分析。将对分析不太重要的部分进行了简化,采用的是自下而上的实体建模方法进行的有限元建模。建模过程中使用的是ANSYS 参数化设计语言——APDL的方法。前面的弹性体建模选用的是SHELL63单元,后面弹性体用十节点四面体单元SOLID92和二十节点六面体单元SOLID95对实体进行网格划分。 传感器的线性度、灵敏度等特性都受到贴片方案的影响。本文利用计算机辅助设计的思想,首先对弹性体进行建模,然后通过有限元软件对弹性体模型进行有限元分析,通过分析结果综合分析各个因素,来确定测试方案。随着新 WP=85 型的传感器弹性的不断出现,弹性体的结构越来越复杂,有限元分析在复杂结构的分析中有着很好的效果,这是一种现在常用的传感器弹性体设计方法。 我们需要测量的是运动员的蹬冰力,理想的蹬冰力应该是垂直于冰鞋的方向,而实际的蹬冰过程是比较复杂的,运动员实际蹬冰的方向一般是不会垂直于冰鞋的。而空间一个任意方向的力都可以分解成两个垂直方向的力。因此我们只需测出相对冰鞋垂直向下方向的纵向分力和与之垂直的侧向分力。采用两组应变片分别测量纵向分力和侧向分力。 在有限元分析的指导下,对前后的弹性体提出了多个测试方案,对其中几个测试方案进行了实验,分析实验数据,得到标定蹬冰纵向力和侧向力的公式。并对实验误差进行了简单的分析。 本文讨论了一下传感器动态特性的研究内容和研究方法。并使用有限元软件ANSYS简单分析了一下弹性体的固有频率。 受现在实际应用的八角环测力传感器的启发下,提出了课题研究的新方案,新型的弹性体的构想,可以供研究者参考。


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