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羽毛球空气动力学的若干问题研究

张晶华  
【摘要】:羽毛球空气动力学特性(简称飞行特性)是羽毛球质量的重要性能指标。羽毛片是组装羽毛球必不可少的材料之一,羽毛片的特性及其安装方式直接影响羽毛球的飞行特性,从而影响到羽毛球的质量等级。羽毛片的特性主要包括弯度、拱度、厚度和长度,而羽毛片的特性、羽毛球的攻角和安装角对羽毛球飞行特性影响的相关研究尚未报道。选用何种羽毛片及其安装方式能够组装得到更多优良等级的羽毛球,对于提高羽毛球的生产效率有非常大的影响。目前的人工羽毛片的性能还不能够替代天然的羽毛片,市场上还是以天然羽毛片制造成的羽毛球为主。在现有国内外关于羽毛球飞行特性的研究基础上,本文对羽毛球的飞行特性及其影响因素进行了深入探讨,建立了弯拱度羽毛片数学模型和羽毛球飞行运动模型,并进行了仿真实验,获得了良好的实验结果,本文的研究成果为提高羽毛球的动态稳定性和组装羽毛球时的羽毛片选用提供技术支持和理论指导,具有实用价值。 本文研究内容及理论成果如下: 1.组装羽毛片特性的不同对羽毛球的飞行特性有非常大的影响,本文进行了实验测得大量羽毛杆和羽毛叶的截面边缘数据,并对实验数据进行拟合,从而建立了羽毛片的数学模型,仿真结果表明了模型的有效性;根据羽毛片特性,结合羽毛片模型,给出了羽毛片质量与羽毛片特性之间的计算式,推导了羽毛片转动惯量的计算公式,为分析羽毛片对羽毛球飞行旋转特性的影响打下了基础。 2.羽毛片的气动力特性与位置有关,通过分析羽毛球的结构特性,建立了羽毛片受力分析模型,给出羽毛球要素的定义,结合羽毛片的特性,推导了气动力和力矩的计算公式,并进行仿真实验,实验结果表明了模型的有效性。 3.根据陀螺理论,对羽毛球的飞行旋转特性进行了深入研究,提出了羽毛球的赖柴基表达式,结合羽毛片的特性,给出了羽毛球的进动角速度的计算公式,并进行仿真实验。仿真实验结果表明该理论能够合理解释羽毛球运动的现象。 4.根据羽毛球的飞行特性,给出了羽毛球飞行运动方程,研究了羽毛片特性对羽毛球摆动角及落点的影响,给出了不同羽毛片特性的羽毛球飞行轨迹运动方程,并进行仿真实验。仿真实验结果表明羽毛片特性的冲压及选用有严格的要求。 5.根据羽毛球的飞行特性,给出了羽毛球的时变参数非线性方程,结合李雅普诺夫运动稳定性理论,给出了羽毛球运动稳定性的数学定义,提出了一种判断羽毛球质量等级的方法,并进行仿真实验,实验结果表明了判断方法的有效性。 6.建立了羽毛球质量模型,分析影响羽毛球动态不稳定性的原因,给出羽毛球动态稳定性的计算公式。针对羽毛球动态不稳定平衡调试的问题,结合羽毛球风洞质量不平衡模型,提出了羽毛球风洞遗传算法的调试方法。与传统的羽毛球动态不稳定的调试须依赖经验积累相比,本文给出了调试理论依据,具有耗时少、效率高等特点,具有实用价值。 通过本文的研究,特别是羽毛片特性的数学模型及与羽毛片特性有关的羽毛球数学模型的建立,为今后进一步研究羽毛球生产工艺打下良好的基础,也为进一步优化羽毛球设计提供理论指导。


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