【摘 要】
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短道速滑项目是一项引入较晚但发展迅速的项目,2022年冬奥会在我国举办,中国短道速滑队多次打破世界纪录,取得了优异成绩,展现了国家形象、展示了国家实力、提升了民族精神。在短道速滑项目中,蹬冰反力为运动员提供滑行驱动力,是影响运动员成绩的重要参数之一。目前,业界对蹬冰技术的研究工作大多基于运动生物力学、理论分析和实验分析,借助于计算机仿真技术,分析运动员不同工况的蹬冰反力,则鲜少涉及。本文基于有限元
【基金项目】
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国家重点研发计划·科技冬奥2020:（2020YFF0304600）子课题“2.2运动减阻关键技术平台研究；
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短道速滑项目是一项引入较晚但发展迅速的项目,2022年冬奥会在我国举办,中国短道速滑队多次打破世界纪录,取得了优异成绩,展现了国家形象、展示了国家实力、提升了民族精神。在短道速滑项目中,蹬冰反力为运动员提供滑行驱动力,是影响运动员成绩的重要参数之一。目前,业界对蹬冰技术的研究工作大多基于运动生物力学、理论分析和实验分析,借助于计算机仿真技术,分析运动员不同工况的蹬冰反力,则鲜少涉及。本文基于有限元分析理论和方法,运用计算机仿真软件Abaqus建立短道速滑蹬冰模型,对蹬冰产生的侧向冲击反力与竖向冲击反力进行分析,探究蹬冰角度与冰层厚度等因素对蹬冰反力的影响,实现科技助力冬奥。论文主要研究内容如下:（1）基于计算机仿真技术和有限元软件Abaqus,模拟冰刀与冰面的复杂接触关系,通过沿着不同角度施加不同的速度、加速度等荷载,获取不同蹬冰状态的反力数据,验证各参数取值的合理性和结果可靠性。研究结果表明:在0.0015-0.0035s内,竖向和侧向的仿真分析结果与试验结果吻合较好,差值在0.48-68.69N范围内;在0-0.0035s内,侧向的仿真分析结果与实验结果吻合度超过95%。（2）建立传统冰场模型来模拟蹬冰状态,研究不同蹬冰角度、不同冰层厚度时的应力及侧向和竖向冲击反力的变化。考虑蹬冰角度的影响时,选取40mm厚度的冰层进行模拟,蹬冰角度选取从冰刀直立滑行逐渐倾斜至25°;进而研究冰层厚度的影响,选取29.1mm、35mm和40mm厚的冰层进行模拟。研究结果表明:蹬冰角度逐渐增大的过程中,Z向（侧向）的最大拉应力与最大压应力呈先递增后递减的趋势,Y向（竖向）的最大拉应力与最大压应力随着倾斜角度的增加整体呈逐渐递减的趋势;在倾斜角度一定的条件下,侧向冲击反力随着冰层厚度先增大后减小;在不同的倾斜角度下,冰层的厚度对侧向冲击反力影响较大,且随着倾斜角度的增加影响逐渐减小,冰层厚度逐渐增厚对应的侧向反力先增大后减少;冰层厚度对竖向冲击反力的影响较小。（3）建立装配式冰场模型,探究在装配式冰场条件下,蹬冰角度、冰层厚度对应力、侧向冲击反力和竖向冲击反力的影响。研究结果表明:蹬冰角度逐渐增加,Z向最大拉应力与最大压应力缓慢增加;冰刀在不同厚度的冰层上蹬冰滑行时,倾斜角度越大,侧向冲击反力间相差越小;在不同厚度的冰层上蹬冰滑行时,冰层的厚度对竖向冲击反力的影响较小,冰层越薄侧向冲击反力越大,且随着蹬冰角度的增大,冰层厚度对侧向反力影响越小。（4）探讨在装配式冰场模型下,施加不同功率的助推器对运动员成绩的影响。将未佩戴助推器与佩戴不同功率助推器下的位移进行对比,发现佩戴功率越大的助推器侧向位移越大,前进方向的位移越小。将在不同功率助推器作用下的仿真结果与实测结果进行对比,研究结果表明:佩戴小功率助推器与未佩戴助推器间的侧向反力相差较小,佩戴大功率助推器对应的竖向反力与侧向反力均值较大。
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