蹦床运动员网面垂直起跳动作的多刚体建模分析

摘要

蹦床运动是指人体借助蹦床网面的弹力在空中做各种技巧性动作的一项运动项目。其中垂直起跳动作是蹦床运动的基础动作，也是关键因素，垂直起跳动作完成的好坏，直接决定了整套蹦床运动分值的高低。本文的研究目的是研究蹦床运动员如何能够在垂直起跳的蹬网过程中，利用蹦床网面的弹性性能，用最佳的蹬伸持续时间，得到最佳的蹬伸力，并由此实现最佳的弹跳高度。现有的研究报道，大部分从实战经验和技术动作理论方面进行研究，很少涉及到有限元建模和人体动力学建模分析。本文在对蹦床网面和蹦床运动员垂直起跳动作进行实验测试分析的基础上，建立了蹦床网面的有限元模型，并分别建立了分析运动员蹬伸过程的二刚体和七刚体动力学模型。
　　本文主要完成了以下几个工作：
　　（1）对国际蹦床比赛所用的弹性网面进行了力学性能测试分析，得到了网面不同位置处的荷载-垂直位移曲线，以及对应的垂直刚度系数，进而通过数据拟合得到1/4网面的垂直刚度分布方程；用ABAQUS软件对蹦床网面进行模拟，结合静载数据进行反分析，得到了网面的等效弹性模量。结果表明，对于整个网面，越到中间，垂直刚度系数越小，即网面中间区域最软，越到边上区域网面越硬；位移和应力从网面受力点向四周逐渐减小，而对角线为应力峰值线。用等效弹性模量作为网面的材料参数进行有限元模拟计算，所得荷载-位移曲线与实验数据吻合较好。实验结果为蹦床运动的动力学分析提供了力学性能参数，为运动员技术的提高和蹦床网面的优化设计提供了一定的理论依据。
　　（2）通过独立使用高清摄像机和使用Vicon2.1动作捕捉系统两种测量方法，分别对蹦床运动员从空中下落到着网直至入网到最深处的过程进行拍摄，并对所拍摄视频进行运动学分析测试，得到了运动员身体各个部分质心位置在蹬伸过程各个时刻的位移、速度和加速度等运动学参数。对比两种测量方法，用高清拍摄（下落高度4.03 m）得到的蹬伸过程的持续时间和最大踩网深度分别为：0.15 s，0.85 m，用Vicon2.1拍摄（下落高度4.12 m）得到的蹬伸过程的持续时间和最大踩网深度分别为：0.17 s，0.86 m。考虑到两组实测数据所对应的运动员下落高度的差异，这两种方法测试所得运动员的运动学参数基本是相同的。以上测试结果可用于运动员垂直起跳动作的动力学分析。
　　（3）建立了蹦床运动员的二刚体运动分析模型，对运动员为获得最大踩网深度所需要的控制力进行了分析求解。以蹦床运动员膝关节为界限，分为上下两个刚体，两个刚体之间通过肌肉控制力连接。在建模过程中，假设运动员的控制力在踩网过程中为两个阶跃载荷，即通过两个定常的控制力将蹦床运动员的入网过程简化为两个阶段。通过受力分析，列出相应的动力学方程，最终用数值优化方法确定了该蹦床运动员从4 m高落下后的踩网最大深度为92.65 cm，踩网最佳持续时间为0.14 s，第一阶段的最佳控制力为1300 N，第二阶段的最佳控制力为3400 N。计算结果与实验结果比较吻合，验证了所建二刚体模型用于分析踩网深度的有效性。通过二刚体模型，可对不同的蹦床运动员垂直起跳的踩网过程进行理论分析，并为以后建立更为精确的模型提供了一种思路。
　　（4）将运动员分为7个部分，即头、躯干、大腿、小腿、足、上臂和前臂，建立了垂直起跳运动的七刚体模型，根据力学原理，建立了相应的运动微分方程组；将内容（2）中的Vicon2.1系统软件测试得到的人体各部分的运动学数据代入上述运动微分方程进行计算分析，得到了运动员的蹬伸力与踩网深度之间的关系，将此结果与根据实测网面特性计算的弹性反力进行对照，两者吻合较好，从另一个侧面印证了模型的正确性。该模型为蹦床运动的垂直起跳技巧研究提供了分析基础，对蹦床运动理论及运动训练实践有理论参考价值。此外还就模型的精度对各刚体质量变化的敏感性进行了分析。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 蹦床运动简介

1.3 蹦床运动的测量技术

1.4 蹦床运动及垂直起跳技术的国内外研究现状

1.5 本文主要研究内容和研究方法

第二章 蹦床网面的力学特性的实验研究与建模

2.1 实验对象与方法

2.2 有限元模拟

2.3 结果

2.4 讨论

2.5 本章小结

第三章 蹦床运动员最佳蹬伸力的分析

3.1 使用二维测量技术对垂直起跳技术的研究

3.2 使用三维运动捕捉系统对垂直起跳动作的研究

3.3 讨论

3.4 本章小结

第四章 蹦床运动员最佳控制力的分析-二刚体模型

4.1 二刚体模型的建立

4.2 结果分析

4.3 讨论

4.4 本章小结

第五章 蹦床运动员最佳蹬伸力的分析-七刚体模型

5.1 蹦床运动员七刚体模型的建立

5.2 结果分析

5.3 讨论

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 本文的创新点

6.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间以第一作者身份发表的学术论文

博士学位论文独创性声明