人體-蹦床運動系統(tǒng)的力學(xué)模擬與分析.pdf

1、蹦床運動是一種技巧類體育項目，最初起源于中世紀雜技演員的表演節(jié)目，2000年悉尼奧運會首次被接納為奧運比賽項目。我國于1998年才正式開展蹦床運動項目，經(jīng)過十多年的發(fā)展蹦床運動項目在我國已經(jīng)取得了優(yōu)異成績，成為我國奧運會優(yōu)勢項目之一。但要進一步穩(wěn)定提高蹦床運動技術(shù)和成績，則亟待科學(xué)化的訓(xùn)練和技術(shù)優(yōu)化。這就需要建立三維人體-蹦床運動系統(tǒng)的力學(xué)分析模型與仿真系統(tǒng)，以三維方式逼真模擬、設(shè)計、分析蹦床運動技術(shù)動作，并將模擬結(jié)果與運動員訓(xùn)練視頻同

2、步對比，為定量認識人體-蹦床運動系統(tǒng)的運動機理、提高運動員成績方法提高指導(dǎo)。同時，可詳細了解運動員在蹦床運動過程中身體各部分關(guān)節(jié)、肌肉的受力情況，為預(yù)防運動員在訓(xùn)練和比賽中受傷奠定理論基礎(chǔ)。因此，本文研究的主要目標是建立人體-蹦床運動系統(tǒng)的力學(xué)分析模型，以分析人體在蹦床上跳躍過程中尤其是與蹦床網(wǎng)面接觸瞬間的運動特征與受力狀態(tài)，進而探明人體-蹦床運動系統(tǒng)的運動學(xué)與動力學(xué)特性。為此，首先對蹦床器械的力學(xué)特性進行測試與模擬，然后對人體-蹦床運

3、動系統(tǒng)模擬中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)—足底與網(wǎng)面接觸瞬間的動態(tài)應(yīng)力分布進行實驗研究，再利用視頻解析軟件分析了優(yōu)秀蹦床運動員在比賽中的運動軌跡，進而利用生物動力學(xué)軟件LifeMOD軟件建立三維人體-蹦床運動系統(tǒng)的力學(xué)模型，進行優(yōu)秀蹦床運動員比賽過程的運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析。完成的工作與主要成果包括:
　　1.基于蹦床器械力學(xué)性能測試結(jié)果建立了可模擬蹦床網(wǎng)面中心區(qū)域力學(xué)特征的蹦床器械A(chǔ)DAMS動力學(xué)模型。與其它運動項目不同的是，蹦床器械的各項力學(xué)性

4、能指標是不確定的。無論是美國國家標準(ASTM F381-14)還是英國國家標準(BS EN13219:2008)都只對蹦床的框架尺寸、網(wǎng)面尺寸、彈簧尺寸個數(shù)等有詳細規(guī)定，但是對網(wǎng)面中心區(qū)域的力學(xué)特性參數(shù)并無規(guī)定。本文對蹦床網(wǎng)面中心區(qū)域和彈簧的力學(xué)性能進行了靜力測試，獲得蹦床網(wǎng)面中心區(qū)域的荷載-位移變化規(guī)律，然后通過軟件ADAMS建立了蹦床器械的動力學(xué)模型。研究結(jié)果表明，所建立的模型能夠較為準確的模擬網(wǎng)面中心區(qū)域的荷載-位移變化規(guī)律，為

5、建立人體-蹦床運動系統(tǒng)的動力學(xué)模型奠定了基礎(chǔ)。
　　2.實測分析了兩名蹦床運動員在跳躍過程中足底和蹦床網(wǎng)面接觸時的動態(tài)應(yīng)力分布規(guī)律。以江蘇省蹦床隊的兩名運動員為研究對象，利用穿戴式足底壓力鞋墊，測量了運動員在蹦床網(wǎng)面跳躍過程中足底與網(wǎng)面接觸瞬間的動應(yīng)力分布與變化規(guī)律。實驗研究結(jié)果表明，當(dāng)運動員跳躍高度分別為15cm、28cm時，足底應(yīng)力分別是其重力的4.45和4.96倍。同時發(fā)現(xiàn)，足跟處所受壓強值占整個足底壓強的50％。因此在蹦床

6、比賽和訓(xùn)練中，應(yīng)關(guān)注腳跟的受力以避免骨折和扭傷。
　　3.用三維視頻分析法采集和分析獲得運動員在蹦床比賽中的運動軌跡。通過用影像解析軟件ARIEL對“廣元建設(shè)杯”2013年全國蹦床冠軍賽中運動員跳躍軌跡進行解析分析，識別出參賽運動員比賽過程中的主要運動特征量，包括騰空高度的最高值以及達到最高值的時間等。對獲得冠軍的運動員董棟的運動軌跡進行了詳細的分析，為后續(xù)的人體-蹦床運動系統(tǒng)的建模和仿真分析奠定了基礎(chǔ)。
　　4.建立了三維

7、人體-蹦床運動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，利用模型進行了冠軍董棟在比賽過程的運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析，獲得該運動員在蹦床上跳躍過程中各部分關(guān)節(jié)、肌肉等人體組織的受力狀態(tài)。通過生物動力學(xué)軟件LifeMOD建立了董棟的三維人體模型，導(dǎo)入蹦床器械模型和之前實測解析獲得的董棟運動軌跡。再經(jīng)過反向動力學(xué)分析與正向動力學(xué)分析之后運行人體-蹦床運動系統(tǒng)動力學(xué)模型，分析得到了董棟在運動過程中的動力學(xué)和運動學(xué)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，在蹦床比賽過程中董棟下肢關(guān)節(jié)中的膝關(guān)節(jié)