基于Adams鉛球的最優(yōu)軌跡的仿真分析

陳 鑄，張 建

（畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校，貴州 畢節(jié) 551700）

鉛球運動具有集技能、力量、速度和心理于一體的體育競技項目，在鉛球的實際賽事中，最遠的投擲距離是核心問題，當(dāng)鉛球的出手高度和出手速度一定時，鉛球的最優(yōu)軌跡是實現(xiàn)這一核心問題的最佳方法。如何獲得鉛球最遠距離的投擲，已成為專家和學(xué)者們研究的熱點問題。鉛球運動員的訓(xùn)練階段具有多元化的特點，多元化的特點導(dǎo)致運動員在訓(xùn)練階段的側(cè)重點不一樣。（1）由于鉛球運動員訓(xùn)練階段及身體機能的不同，形成鉛球運動員發(fā)展之間的差異；（2）由于運動員個體之間原有的技能、職業(yè)情感與心理之間存在差異，也會形成鉛球運動員訓(xùn)練階段的差異。面對上述差異，教練員應(yīng)根據(jù)實際情況為鉛球運動員的訓(xùn)練提供有針對性的培養(yǎng)計劃和方案，并根據(jù)運動員訓(xùn)練與比賽中的相關(guān)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)運動員的鉛球技術(shù)，提高運動員的競技水平，為運動員的訓(xùn)練與發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。本文運用Adams 、Excel和AutoCAD軟件聯(lián)合對投擲鉛球進行仿真分析，對進一步提高鉛球運動的教學(xué)、訓(xùn)練有一定指導(dǎo)作用。

1 鉛球投擲的原理圖

如圖1所示，運動員通過持握球——準(zhǔn)備——滑步——用力——平衡身體后，以出手速度V將鉛球從C點投擲出，鉛球在空氣中做拋體運動，在空氣阻力和重量加速度的作用下，鉛球落在D點。A點為運動員前腳著力點， B點的為鉛球投擲起始位處的正投影點，C點為鉛球的投擲起始位置，D點為鉛球落地的結(jié)束位置，BC為投擲起始位置的高度h，α為出手角度，β為地斜角，L1為運動員前腳與鉛球的投擲起始位置之間的水平距離，L2為鉛球投擲起始位置到鉛球落地位置的水平距離。

2 仿真模型的建立

Solidworks和Adams的系統(tǒng)默認坐標(biāo)系都是笛卡爾坐標(biāo)系，因此建立的模型導(dǎo)入時視圖方向不發(fā)生變化。文采用Solidworks軟件建立1：1實體正式比賽中使用的男子標(biāo)準(zhǔn)鉛球的仿真模型，以鉛球的中心建立直角坐標(biāo)系，該模型由鉛球和地面組成，將建好的模型以parasold（x_t）格式導(dǎo)入Adams中（圖2），仿真模型中part 2為鉛球、part 3為地面，定義材料屬性并賦值。投擲鉛球的仿真模型的主要參數(shù)取值如表1所示。然后給仿真模型施加約束和載荷，地面和大地之間為固定副，鉛球和地面之間為接觸副，根據(jù)公式45°-β/2計算出出手角度，沿Y軸負方向施加重力加速度，最后施加空氣阻力以及鉛球和地面之間的摩擦力，Adams單位采用MMKS制。

圖1 投擲鉛球原理圖

3 仿真分析

此仿真過程的時間為5s，仿真步數(shù)為1 000，圖3為鉛球做拋物運動時的水平方向的位移圖。從圖3中可以看出，當(dāng)鉛球運行到2.1s時，鉛球的拋物運動結(jié)束，從投擲的起始位置到結(jié)束位置的水平距離為21.58m，然后鉛球和地面發(fā)生碰撞接觸，碰撞后鉛球在與地面的摩擦力和空氣阻力作用下運行停止，運行距離為9.8m。圖4為鉛球做拋物運動時的豎直方向上的位移圖。當(dāng)鉛球運行到0.95s時，鉛球運行至最高點，最高點距鉛球投擲起始位置的垂直距離為4.5m，鉛球運行到2.1s時，鉛球運行至最低點，最低點距鉛球投擲起始位置的垂直距離為2m。

圖2 仿真模型

表1 投擲鉛球的基本參數(shù)

圖3 X方向的位移圖

圖4 Y方向的位移圖

4 軌跡曲線的創(chuàng)建及導(dǎo)入

在Adams中創(chuàng)建鉛球的Marker點相對于地面的軌跡曲線，軌跡曲線如圖 5所示。修改鉛球的軌跡曲線數(shù)據(jù)的屬性并以.txt格式保存，由于在Adams和Excel中的曲線無法測量并標(biāo)注關(guān)鍵尺寸，因此將Excel生成鉛球軌跡相對應(yīng)的坐標(biāo)值導(dǎo)入到AutoCAD中，最后對AutoCAD中生成軌跡曲線進行關(guān)鍵尺寸測量并標(biāo)注，如圖6所示。從圖6可以看出，出手高度為2m，出手角度為42.435°，投擲距離為21.58m，地斜角為5.13°，鉛球落地后的運行距離為9.8m。

5 結(jié) 論

本文運用ANSYS、Excel和AutoCAD軟件對投擲鉛球進行仿真分析，分析了出手角度、出手速度及出手高度在鉛球投擲過程中對投擲距離的影響。得到以下結(jié)論：出手高度，理論數(shù)據(jù)2m，仿真數(shù)據(jù)2m，無誤差；投擲距離，理論數(shù)據(jù)22m，仿真數(shù)據(jù)21.58m，誤差為1.9%；出手角度，理論數(shù)據(jù)42.405°，仿真數(shù)據(jù)42.435°，誤差為0.07%；地斜角，理論數(shù)據(jù)5.19°，仿真數(shù)據(jù)5.13°，誤差為1.2%。計算結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。上述誤差主要是由空氣對鉛球阻力大小的設(shè)定值引起，所用方法精度高，可為教練員科學(xué)訓(xùn)練提供理論依據(jù)。本仿真有助于深入了解投擲鉛球時出手高度、出手角度及出手速度對投擲距離的影響，有利于教練員運用科學(xué)技術(shù)手段，在實際訓(xùn)練的過程中，并根據(jù)運動員訓(xùn)練與比賽中的相關(guān)數(shù)據(jù)來改善運動員的鉛球技術(shù)，提高運動員的競技水平。為探索大跨運動員投擲鉛球過程提供了一種新方法。有必要進行深入研究投擲過程中各關(guān)節(jié)的參數(shù)和出手時間等參數(shù)對鉛球投擲距離的影響，本仿真還有待進一步的試驗驗證。此方法還可通過改變出手高度、出手角度和出手速度的不同參數(shù)，很方便的計算出相應(yīng)條件下的鉛球投擲距離， 可有效快捷地研究投擲鉛球參數(shù)規(guī)律。

圖5 鉛球軌跡圖

圖6 軌跡測量標(biāo)注圖