CN111898297B - 荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法 - Google Patents

荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法 Download PDF

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Abstract

本申请实施例公开一种荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法。本发明提供的一种荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法，利用ABAQUS软件进行荷载与环境作用下跳台主体结构的仿真模拟研究，基于热力耦合对滑板与冰界面力学行为进行仿真模拟，研究冰面的初始温度、运动员重量以及滑行速度对冰面界面力学行为的影响，同时分析其影响机理，弥补针对跳台主体结构在荷载和环境作用下及运动员在助滑道滑行过程中，滑板与冰界面之间的力学行为的研究缺陷，为提高跳台滑雪运动比赛成绩提供合理的建议。

Description

荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法
技术领域
本发明涉及运动仿真技术领域，尤其涉及一种荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法。
背景技术
助滑道主体结构在受到荷载与环境的作用，而荷载和环境将会影响跳台主体结构的线型和安全性，会产生应力和位移，使得跳台主体结构的线型发生改变，从而也使得助滑道几何线型发生改变。同时在助滑道滑行过程中滑板与冰界面间的力学行为会影响运动员获得速度和飞行距离，从而影响运动员的比赛成绩。
2003年E Müller等人对高山滑雪和跳台滑雪的生物力学方面进行了研究，主要的研究成果包括对高山滑雪的特定条件(转弯类型，地形，雪地和速度等)的分析，以及设备，材料和个人能力对滑雪跳跃中的安全性和关节负荷的影响。2006年W.Meile等人计算应用标准RANS代码对滑雪的空气动力学行为在全尺寸雷诺数下进行实验研究，尤其是不同姿势对各种攻角的空气动力的影响。2007年刘贵宝等人分析了解析方法与多点摄像相结合的方法在跳台滑雪运动中的应用，通过采用摄影解析技术就可以准确地确定运动目标的三维坐标。由于跳台滑雪的动作复杂，因此通过多点摄像与解析相结合的方法可以为动作的研究与解析提供理论参考。2014年陈志峰等人对跳台滑雪的空中飞行阶段进行了CFD研究。通过对比CFD模拟结果与人工试验结果，他们为运动员更好地利用气象条件来提高比赛成绩提供重要的理论指导。2018年胡齐等人通过对数值以及CFD研究，研究飞行过程中滑板夹角对空气动力学特性的影响，并分析了V型飞行方式对飞行阶段空气动力特性的影响。
目前国内外对于跳台滑雪运动的研究主要集中在运动员自身安全、滑行技巧以及在跳台滑雪过程中所产生空气动力学方面，但并没有对跳台主体结构在荷载和环境作用下及运动员在助滑道滑行过程中，滑板与冰界面之间的力学行为进行研究。在针对跳台主体结构在荷载和环境作用下及运动员在助滑道滑行过程中，滑板与冰界面之间的力学行为的研究存在一定的缺陷。
发明内容
本发明提供一种荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法，以解决在针对跳台主体结构在荷载和环境作用下及运动员在助滑道滑行过程中，滑板与冰界面之间的力学行为的研究存在一定的缺陷的问题。
本发明提供一种荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法，所述方法包括：
建立有限元模型，其中，所述建立有限元模型包括：建立跳台滑雪助滑道的几何模型；建立其他部件的几何模型，所述其他部件包括：滑板、运动员以及流体腔；将所述跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔的几何模型进行装配，得到最终几何模型；选取线弹性模型作为材料本构模型，对所述最终几何模型创建材料属性；对所述最终几何模型设置分析步；设置所述最终几何模型中各部件接触间的接触属性；对运动员的重力、最终几何模型的边界条件，以及各部件的温度进行设定；对所述最终几何模型中的跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔进行网格划分；
利用所述有限元模型的计算结果绘制不同初始温度、摩擦作用后对应的冰面温度云图，对不同冰面的初始温度下的由于滑板与冰面间的相对滑动，使得温度的升高情况进行研究；
利用所述有限元模型的计算结果绘制运动员在滑行过程中冰面的温度变化云图及不同时刻不同速度对应的冰面温度云图，研究运动员速度对冰面温度的影响，同时绘制滑行过程中滑板底部的应力分布云图，研究运动员速度对冰面应力以及位移的影响；
确定跳台滑雪运动的速度与竖向位移之间的关系，利用所述有限元模型的计算结果绘制不同运动员重量下的温度云图，研究运动员质量对速度的影响。
进一步地，建立跳台滑雪助滑道的几何模型，包括：
设置网格类型，在User Profiles中选择ABAQUS以及Explicit；
通过Hypemesh建立跳台滑雪助滑道端面特征以及引导线，在端面特征中，设定冰层的厚度为3cm；
通过网格拉伸工具，沿着引导线拉伸端面建立跳台滑雪助滑道的网格几何模型，保存为inp.文件；
将所述inp.文件导入ABAQUS中。
进一步地，建立其他部件的几何模型，包括：
运用ABAQUS本身自带的建模工具建立滑板、运动员以及流体腔的几何模型。
进一步地，运用ABAQUS本身自带的建模工具建立滑板、运动员以及流体腔的几何模型，包括：
通过part模块建立滑板的几何模型；
通过三维实体的拉伸旋转功能建立球体、长方体、圆柱体来分别充当运动员的头部、身体、腿以及胳膊，将这些建立好的部件通过平移、旋转工具组合在一起，通过merge工具使这些部件成为一体充当运动员；
将跳台滑雪助滑道和运动员进行切割，分别取其一半进行分析，最后在后处理过程中通过镜像功能建立整体模型；
建立一个能够将跳台滑雪助滑道完全包裹的长方体实体，然后在工具栏中将长方体设置为壳体，完成流体腔的建立。
进一步地，将所述跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔的几何模型进行装配，得到最终几何模型，包括：
在工具栏中选择create instance进入编辑器，选择所有部件，将所有部件进行实体化，通过平移旋转工具将各部件进行装配，装配后跳台滑雪助滑道与全局坐标呈现出夹角，并且跳台滑雪助滑道模型全部包含在流体腔所模拟的空气域中，得到装配后的最终几何模型。
进一步地，选取线弹性模型作为材料本构模型，对所述最终几何模型创建材料属性，包括：
选取线弹性模型作为材料本构模型，所述材料本构模型的本构方程为：
σ＝Delεel；
式中：σ是应力分力向量，Del是应变分量向量，εel是弹性矩阵；
假设终几何模型中各材料为各向同性，选用各向同性线弹性本构模型，各向同性线弹性本构模型的达式为：
矩阵中：E是杨氏模量，v是泊松比，G是剪切模量，其中剪切模量可以通过杨氏模量以及泊松比来表示，其表达式为
确定材料参数，输入力学参数以及热学参数，所述力学参数包括材料的杨氏模量和泊松比，热学参数如导热系数、比热容以及热膨胀系数；确定材料的密度，在进行参数设定的过程中勾选随温度变化，在不同的温度下设置其所对应的材料参数。
进一步地，对所述最终几何模型设置分析步，包括：
所述分析步为两个，两个分析步中，在第一个分析步中设定一个时间，并且在此分析步中给定运动员与滑板一个初速度让其运动起来；同时也使得滑板与冰面之间可以初步稳定的接触，有助于模型的收敛；在第二个分析步中再设定一个时间，并在此分析步中不设定速度荷载，在此分析步中模拟在界面摩擦的作用下，重力势能与动能之间的转化所得到的速度。
进一步地，设置所述最终几何模型中各部件接触间的接触属性，包括：
在建立滑板与冰面界面之间的接触属性时，选择contact接触类型，在接触属性选项中选择力学中的切向行为进行摩擦公式的设定，在摩擦公式中选择罚函数，勾选摩擦系数随温度变化选项，在表格中填入有试验所得的摩擦系数随温度的变化数据；
在力学中选择法向行为，选择硬接触，其他保持默认状态，在热学中选择热传导，将其设置为：在两个界面之间的间隙为0时他们的传导率为10000，当间隙达到1mm时其热导率为0。
求两部件之间的热流分配系数，然后通过下述数学关系换算出冰面的热量分配比；
q＝qb+qi；
式中：q为总的热流密度，qb、qi分别为滑板与冰的热流密度，kb、ki分别为滑板与冰的导热系数，ρb、ρi分别为滑板与冰的密度，Cb、Ci分别为滑板与冰的比热容；通过上式的数学关系求解出并与滑板的热流分配系数，进而求得分配给冰面的热量分配比；
完成接触属性设置后，对模型的相互作用进行设置，首先建立一个通用接触，在接触设置选项卡中的接触属性上选择刚才所建立的通用接触属性intprop-1；
在type中选择流体腔，在接触属性选项卡中将流体腔内气体定义为空气，输入理想气体摩尔质量为29e-6,同时勾选摩尔比热容类型选择表格，将数值填入表格中；
在类型中选择流体腔，同时将本次模拟所建立的流体腔中心建立一个参考点，以及选择该参考点、Done、选择紫色内表面、接触属性上选择流体腔属性intprop-2；
将运动员设定成为刚体，同时勾选参考点在分析时自动移动到质心，在建立完刚体约束后，将运动员与滑板整合成一个整体绑定Tie连接，首先创建约束，约束选择Tie，其次选定约束的主从面，选择运动员底面为主面，滑板顶面为从面，建立约束。
进一步地，对运动员的重力、最终几何模型的边界条件，以及各部件的温度进行设定，包括：
对运动员施加重力，重力的设置根据全局坐标所设定，明确重力的方向，在Y方向上输入9800，同时需要给定运动员的质量；
对模型的边界条件进行设定，首先在边界条件管理器中创建边界条件，通过设置三个位移自由度：U1、U2、U3，分别沿x轴、y轴、z轴的位移，以及三个转动自由度：UR1、UR2、UR3，分别绕x轴、y轴、z轴转动,来对模型的边界条件进行定义；
在进行边界条件定义前先建立以个局部坐标系，以滑板前进方向为x轴，以垂直于滑板为y轴建立三维直角坐标系；
跳台滑雪助滑道、冰面以及流体腔在整个模拟过程中保持静止，选择局部坐标系下的6个自由度都为0；
在设定完固定边界条件后，对用动员部件以及跳台滑雪助滑道设置对称边界条件，选择局部坐标系、ZSYMM，U3＝UR1＝UR2，以便在后处理中可以镜像出完整的模型，在进行速度边界条件定义过程中，在边界条件管理器中进行创建；在荷载中应对各部件的温度进行设定，在温度预定义场中给定各部件一个初始温度，并将各部件的温度均设定为相同数值，以使得在模拟过程中引起温度场变化的因素只有滑板与界面之间的摩擦。
进一步地，对所述最终几何模型中的跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔进行网格划分，包括：
在选择单元类型的过程中，选择动态的、线性的、热力耦合的，采用六面体实体单元对滑板和流体腔进行划分，采用四面体实体单元自由画分技术对运动员进行网格划分。
本发明的有益效果如下：本发明提供的一种荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法，利用ABAQUS软件进行荷载与环境作用下跳台主体结构的仿真模拟研究，基于热力耦合对滑板与冰界面力学行为进行仿真模拟，研究冰面的初始温度、试验重量以及滑行速度对冰面界面力学行为的影响，同时分析其影响机理，弥补针对跳台主体结构在荷载和环境作用下及运动员在助滑道滑行过程中，滑板与冰界面之间的力学行为的研究缺陷，为提高跳台滑雪运动比赛成绩提供合理的建议。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法的流程图。
图2为本发明实施例提供的一种荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟建立有限元模型的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
请参阅图1，为本发明实施例提供的一种荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法，所述方法具体可以包括如下步骤：
步骤S101，建立有限元模型。如图2所示，其中，所述建立有限元模型具体可以包括：
步骤S1011，建立跳台滑雪助滑道的几何模型。
步骤S1012，建立其他部件的几何模型，所述其他部件包括：滑板、运动员以及流体腔。
步骤S1013，将所述跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔的几何模型进行装配，得到最终几何模型。
步骤S1014，选取线弹性模型作为材料本构模型，对所述最终几何模型创建材料属性。
步骤S1015，对所述最终几何模型设置分析步。
步骤S1016，设置所述最终几何模型中各部件接触间的接触属性。
步骤S1017，对运动员的重力、最终几何模型的边界条件，以及各部件的温度进行设定。
步骤S1018，对所述最终几何模型中的跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔进行网格划分。
在本实施例中，建立跳台滑雪助滑道的几何模型，具体可以包括如下步骤：
跳台滑雪助滑道模型通过Hypemesh建立网格模型，在建立模型前先设置网格类型，在User Profiles中选择ABAQUS以及Explict，接下来建立助滑道端面特征以及引导线，在端面特征中冰层的厚度为3cm最后通过网格拉伸工具沿着引导线拉伸端面建立助滑道网格几何模型，保存为inp.文件以便导入ABAQUAS中。
在本实施例中，建立其他部件的几何模型，具体可以包括如下步骤：运用ABAQUS本身自带的建模工具建立滑板、运动员以及流体腔的几何模型。将在Hypemesh中建立的助滑道模型导入ABAQUS中，并且运用ABAQUS本身自带的建模工具建立本次模拟所需的其他部件：滑板和运动员。通过part模块建立滑板，对于运动员的建立，通过三维实体的拉伸旋转等功能建立球体、长方体、圆柱体来分别充当运动员的头部、身体、腿以及胳膊，将这些建立好的部件通过平移、旋转等工具组合在一起，通过merge工具使这些部件成为一体充当运动员。
由于本专利模拟的跳台滑雪运动几何模型是属于轴对称模型，因此为了节省计算成本，将助滑道和运动员进行切割，分别取其一半进行分析，最后在后处理过程中通过镜像功能建立整体模型。
为了模拟运动员在滑行过程中所受到的空气阻力，在本次模拟中建立一个腔体模型，采用流体腔技术来模拟空气域。对于腔体的建立首先建立一个能够将助滑道部件完全包裹的长方体实体，然后在工具栏中选择shape→shell→From solid将长方体设置为壳体(内部为空的)，这样腔体就建立结束。
在本实施例中，将所述跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔的几何模型进行装配，得到最终几何模型，具体可以包括如下步骤：
在结束part模块部件的建立后，将模块转换成Assembly模块，将滑道、滑板、运动员以及流体腔装配在一起。首先在工具栏中选择create instance进入编辑器，选择所有部件，将所有部件进行实体化，通过平移旋转等工具将各部件装配成本发明所需要的形式，装配后滑道与全局坐标呈现出夹角，并且滑道模型全部包含在空气域中。最终得到装配后的模型。
在本实施例中，选取线弹性模型作为材料本构模型，对所述最终几何模型创建材料属性，具体可以包括如下步骤：
选取线弹性模型作为材料本构模型，所述材料本构模型的本构方程为：
σ＝Delεel；
式中：σ是应力分力向量，Del是应变分量向量，εel是弹性矩阵；
假设终几何模型中各材料为各向同性，选用各向同性线弹性本构模型，它具有6个应力/应变分量，各向同性线弹性本构模型的达式为：
矩阵中：E是杨氏模量，v是泊松比，G是剪切模量，其中剪切模量可以通过杨氏模量以及泊松比来表示，其表达式为
本专利在建立模型的过程中选用的是mm级单位，因此在进行参数输入的过程中需要换算成mm所对应的单位制。具体的单位对应如下表所示：
表1参数单位
对于本次模拟属于热力耦合计算，因此在确定材料参数时，需要输入力学参数以及热学参数。力学参数如材料的杨氏模量和泊松比，热学参数如导热系数、比热容以及热膨胀系数。由于本次模拟采用动态计算因此需要确定材料的密度。由于在滑行过程中，滑板与冰界面之间的摩擦生热会使冰面温度升高可能发生冰水相变情况，因此为了模拟相变过程，本发明在进行参数设定的过程中勾选随温度变化，在不同的温度下设置其所对应的材料参数。
在本实施例中，对所述最终几何模型设置分析步，具体可以包括如下步骤：
设定2个分析步，两个分析步中在第一个分析步中设定一个很短的时间，并且在此分析步中给定运动员与滑板一个初速度让其运动起来，同时也使得滑板与冰面之间可以初步稳定的接触，有助于模型的收敛。在第二个分析步中我们再设定一个时间，并在此分析步中不设定速度荷载，在此分析步中模拟在界面摩擦的作用下，重力势能与动能之间的转化所得到的速度。
对场输出进行设定：在Field Output Manager选项下，点击Create，从Step-1开始创建整个模型的场输出，在Domain选项中选择whole model，在Frequency中选择evenlyspaced time intervals并将Interval设置为200。由于我们在分析步中选择的运算方式为动态的热力耦合显示计算，该算法所需的分析时间很长，占用的资源很多，因此为了节约运算资源，提高运行速度，在输出变量(Output Variables)选项下选择勾选的自定义输出变量(select from list below)，在自定义输出中仅保留我们所需要的输出数据，去掉无用数据来提高计算效率。本发明中所保留的输出量有应力(S)、应变(PEEQ Equivalentplastic strain)、位移(U)、速度(V)、加速度(a)、节点温度(NT)等。定义场输出后定义历程输出，在History Output Manager选项下设定与场输出相同的Domain与Frequency同时输出变量设为默认值。
在本实施例中，设置所述最终几何模型中各部件接触间的接触属性，具体可以包括如下步骤：
在建立滑板与冰面界面之间的接触属性时选择contact接触类型，在接触属性选项中选择力学(Mechanical)中的切向行为(Tangential Behavior)进行摩擦公式的设定，在摩擦公式中选择罚函数(penalty)，勾选摩擦系数随温度变化选项(Use temperature-dependent data)，在表格中填入有试验所得的摩擦系数随温度的变化数据。
在力学中选择法相行为(normal behavior)，选择硬接触(hard contact)，其他保持默认状态，这是指两个界面之间可以传递的力是无限大的。在热学(Thermal)中选择热传导(Thermal Conductance)，这是一个随间隙的热传导，在这里我们将其设置为：在两个界面之间的间隙为0时他们的传导率为10000，当间隙达到1mm时其热导率为0。。求两部件之间的热流分配系数，然后通过下述数学关系换算出冰面的热量分配比；
q＝qb+qi；
式中：q为总的热流密度，qb、qi分别为滑板与冰的热流密度，kb、ki分别为滑板与冰的导热系数，ρb、ρi分别为滑板与冰的密度，Cb、Ci分别为滑板与冰的比热容；通过上式的数学关系求解出并与滑板的热流分配系数，进而求得分配给冰面的热量分配比；
完成接触属性设置后，对模型的相互作用进行设置，首先建立一个通用接触，在接触设置选项卡中的接触属性上选择刚才所建立的通用接触属性intprop-1。
在type中选择流体腔(Fluid cavity),在接触属性选项卡中将流体腔内气体定义为空气(pneumatic)，输入理想气体摩尔质量为29e-6,同时勾选摩尔比热容(Specifymolae heat capacity)类型选择表格(tabular)，将数值填入表格中。
在类型中选择流体腔，同时将本次模拟所建立的流体腔单独拿出来，在流体腔中心建立一个参考点，选择该参考点→Done→选择紫色内表面(purple)→接触属性上选择流体腔属性intprop-2。
将运动员设定成为刚体，同时勾选参考点在分析时自动移动到质心。在建立完刚体约束后，将运动员与滑板整合成一个整体绑定Tie连接。首先创建约束，约束选择Tie，其次选定约束的主从面，由于运动员已经设置为刚体，因此选择运动员底面为主面，滑板顶面为从面，建立约束。
在本实施例中，对运动员的重力、最终几何模型的边界条件，以及各部件的温度进行设定，具体可以包括如下步骤：
对运动员施加重力，重力的设置是根据全局坐标所设定的，因此在设定的过程中我们应该明确重力的方向，在Y方向上(component 2)输入9800。同时需要给定运动员的质量。
对模型的边界条件进行设定，首先在边界条件管理器中创建边界条件，通过设置三个位移自由度：U1、U2、U3,分别沿x轴、y轴、z轴的位移，以及三个转动自由度：UR1、UR2、UR3，分别绕x轴、y轴、z轴转动,来对模型的边界条件进行定义。由于本模型是倾斜的，因此在进行边界条件定义前先建立以个局部坐标系，以滑板前进方向为x轴，以垂直于滑板为y轴建立三维直角坐标系。
滑道模板、冰面以及空气域在整个模拟过程中保持静止，因此选择局部坐标系下的6个自由度都为0。
由于本文所采用的建模方法为1/2建模法，在设定完固定边界条件后，需要对用动员以及滑道模板设置对称边界条件，选择局部坐标系、ZSYMM(U3＝UR1＝UR2)，以便在后处理中可以镜像出完整的模型。
在本发明中想模拟运动员的速度是由重力势能转化为来的，因此在进行速度边界条件定义过程中，我们在边界条件管理器中进行创建。本发明所进行的模拟是热力耦合计算，因此在荷载中应对各部件的温度进行设定。在温度预定义场中给定各部件一个初始温度，并将各部件的温度均设定为相同数值，这样在模拟过程中引起温度场变化的因素只有滑板与界面之间的摩擦。
在本实施例中，对所述最终几何模型中的跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔进行网格划分，具体可以包括如下步骤：
本发明模型中的各部件均为三维实体结构，因此选用实体单元能够更好的为本次模拟服务，同时本发明中我们所进行的模拟为动态的热力耦合显示计算，因此在选择单元类型的过程中应选择动态的(Explicity)、线性的(linear)、热力耦合的(CoupledTemperature-Displacement)。对于滑板和空气域其具有规则的几何形状，可以采用六面体实体单元进行划分；对于运动员属于不规则几何形状，采用四面体实体单元自由画分技术对运动员进行网格划分。
步骤S102，利用所述有限元模型的计算结果绘制不同初始温度、摩擦作用后对应的冰面温度云图，对不同冰面的初始温度下的由于滑板与冰面间的相对滑动，使得温度的升高情况进行研究。利用上述模型的计算结果绘制不同初始温度、摩擦作用后对应的冰面温度云图，对不同冰面的初始温度下的由于滑板与冰面间的相对滑动，使得温度的升高情况进行研究，得出当冰面温度为多少摄氏度时，运动员所获得的速度最大，同时得出对不同冰面初始温度下的由于滑板与冰面间的相对滑动，使得温度的升高情况。同时绘制滑行过程中滑板底部的应力分布云图，研究运动员速度对冰面应力以及位移的影响。
步骤S103，利用所述有限元模型的计算结果绘制运动员在滑行过程中冰面的温度变化云图及不同时刻不同速度对应的冰面温度云图，研究运动员速度对冰面温度的影响，利用上述模型的计算结果绘制运动员在滑行过程中冰面的温度变化云图，及不同时刻不同速度对应的冰面温度云图，得到接触面区域温度变化情况，提取模拟结果，将摩擦产生的热量的结果绘制成图形，从而研究运动员速度对冰面温度的影响。
步骤S104，确定跳台滑雪运动的速度与竖向位移之间的关系，利用所述有限元模型的计算结果绘制不同运动员重量下的温度云图，研究运动员质量对速度的影响。确定跳台滑雪运动的速度与竖向位移之间的关系，绘制不同重量下的温度云图，分析随着重量的增加，冰面的温度变化情况以及滑板底部应力的变化情况，从而研究运动员质量对速度的影响。
以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (6)

1.一种荷载和环境条件下跳台滑雪运动仿真模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
建立有限元模型，其中，所述建立有限元模型包括：建立跳台滑雪助滑道的几何模型；建立其他部件的几何模型，所述其他部件包括：滑板、运动员以及流体腔；将所述跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔的几何模型进行装配，得到最终几何模型；选取线弹性模型作为材料本构模型，对所述最终几何模型创建材料属性；对所述最终几何模型设置分析步；设置所述最终几何模型中各部件接触间的接触属性；对运动员的重力、最终几何模型的边界条件，以及各部件的温度进行设定；对所述最终几何模型中的跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔进行网格划分；
利用所述有限元模型的计算结果绘制不同初始温度、摩擦作用后对应的冰面温度云图，对不同冰面的初始温度下的由于滑板与冰面间的相对滑动，使得温度的升高情况进行研究；
利用所述有限元模型的计算结果绘制运动员在滑行过程中冰面的温度变化云图及不同时刻不同速度对应的冰面温度云图，研究运动员速度对冰面温度的影响，同时绘制滑行过程中滑板底部的应力分布云图，研究运动员速度对冰面应力以及位移的影响；
确定跳台滑雪运动的速度与竖向位移之间的关系，利用所述有限元模型的计算结果绘制不同运动员重量下的温度云图，研究运动员质量对速度的影响；
建立跳台滑雪助滑道的几何模型，包括：
设置网格类型，在User Profiles中选择ABAQUS以及Explict；
通过Hypemesh建立跳台滑雪助滑道端面特征以及引导线，在端面特征中，设定冰层的厚度为3cm；
通过网格拉伸工具，沿着引导线拉伸端面建立跳台滑雪助滑道的网格几何模型，保存为inp.文件；
将所述inp.文件导入ABAQUS中；
建立其他部件的几何模型，包括：
运用ABAQUS本身自带的建模工具建立滑板、运动员以及流体腔的几何模型；
运用ABAQUS本身自带的建模工具建立滑板、运动员以及流体腔的几何模型，包括：
通过part模块建立滑板的几何模型；
通过三维实体的拉伸旋转功能建立球体、长方体、圆柱体来分别充当运动员的头部、身体、腿以及胳膊，将这些建立好的部件通过平移、旋转工具组合在一起，通过merge工具使这些部件成为一体充当运动员；
将跳台滑雪助滑道和运动员进行切割，分别取其一半进行分析，最后在后处理过程中通过镜像功能建立整体模型；
建立一个能够将跳台滑雪助滑道完全包裹的长方体实体，然后在工具栏中将长方体设置为壳体，完成流体腔的建立；
将所述跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔的几何模型进行装配，得到最终几何模型，包括：
在工具栏中选择createinstance进入编辑器，选择所有部件，将所有部件进行实体化，通过平移旋转工具将各部件进行装配，装配后跳台滑雪助滑道与全局坐标呈现出夹角，并且跳台滑雪助滑道模型全部包含在流体腔所模拟的空气域中，得到装配后的最终几何模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选取线弹性模型作为材料本构模型，对所述最终几何模型创建材料属性，包括：
选取线弹性模型作为材料本构模型，所述材料本构模型的本构方程为：
σ＝Delεel；
式中：σ是应力分力向量，Del是应变分量向量，εel是弹性矩阵；
假设最终几何模型中各材料为各向同性，选用各向同性线弹性本构模型，各向同性线弹性本构模型的达式为：
矩阵中：E是杨氏模量，v是泊松比，G是剪切模量，其中剪切模量可以通过杨氏模量以及泊松比来表示，其表达式为：
确定材料参数，输入力学参数以及热学参数，所述力学参数包括材料的杨氏模量和泊松比，热学参数如导热系数、比热容以及热膨胀系数；确定材料的密度，在进行参数设定的过程中勾选随温度变化，在不同的温度下设置其所对应的材料参数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述最终几何模型设置分析步，包括：
所述分析步为两个，两个分析步中，在第一个分析步中设定一个时间，并且在此分析步中给定运动员与滑板一个初速度让其运动起来；同时也使得滑板与冰面之间可以初步稳定的接触，有助于模型的收敛；在第二个分析步中再设定一个时间，并在此分析步中不设定速度荷载，在此分析步中模拟在界面摩擦的作用下，重力势能与动能之间的转化所得到的速度。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，设置所述最终几何模型中各部件接触间的接触属性，包括：
在建立滑板与冰面界面之间的接触属性时，选择contact接触类型，在接触属性选项中选择力学中的切向行为进行摩擦公式的设定，在摩擦公式中选择罚函数，勾选摩擦系数随温度变化选项，在表格中填入有试验所得的摩擦系数随温度的变化数据；
在力学中选择法向行为，选择硬接触，其他保持默认状态，在热学中选择热传导，将其设置为：在两个界面之间的间隙为0时他们的传导率为10000，当间隙达到1mm时其热导率为0；
求两部件之间的热流分配系数，然后通过下述数学关系换算出冰面的热量分配比；
q＝qb+qi；
式中：q为总的热流密度，qb、qi分别为滑板与冰的热流密度，kb、ki分别为滑板与冰的导热系数，ρb、ρi分别为滑板与冰的密度，Cb、Ci分别为滑板与冰的比热容；通过上式的数学关系求解出并与滑板的热流分配系数，进而求得分配给冰面的热量分配比；
完成接触属性设置后，对模型的相互作用进行设置，首先建立一个通用接触，在接触设置选项卡中的接触属性上选择刚才所建立的通用接触属性intprop-1；
在type中选择流体腔，在接触属性选项卡中将流体腔内气体定义为空气，输入理想气体摩尔质量为29e-6，同时勾选摩尔比热容类型选择表格，将数值填入表格中；
在类型中选择流体腔，同时将本次模拟所建立的流体腔中心建立一个参考点，以及选择该参考点、Done、选择紫色内表面、接触属性上选择流体腔属性intprop-2；
将运动员设定成为刚体，同时勾选参考点在分析时自动移动到质心，在建立完刚体约束后，将运动员与滑板整合成一个整体绑定Tie连接，首先创建约束，约束选择Tie，其次选定约束的主从面，选择运动员底面为主面，滑板顶面为从面，建立约束。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对运动员的重力、最终几何模型的边界条件，以及各部件的温度进行设定，包括：
对运动员施加重力，重力的设置根据全局坐标所设定，明确重力的方向，在Y方向上输入9800，同时需要给定运动员的质量；
对模型的边界条件进行设定，首先在边界条件管理器中创建边界条件，通过设置三个位移自由度：U1、U2、U3，分别沿x轴、y轴、z轴的位移，以及三个转动自由度：UR1、UR2、UR3，分别绕x轴、y轴、z轴转动,来对模型的边界条件进行定义；
在进行边界条件定义前先建立以个局部坐标系，以滑板前进方向为x轴，以垂直于滑板为y轴建立三维直角坐标系；
跳台滑雪助滑道、冰面以及流体腔在整个模拟过程中保持静止，选择局部坐标系下的6个自由度都为0；
在设定完固定边界条件后，对用动员部件以及跳台滑雪助滑道设置对称边界条件，选择局部坐标系、ZSYMM，U3＝UR1＝UR2，以便在后处理中可以镜像出完整的模型，在进行速度边界条件定义过程中，在边界条件管理器中进行创建；在荷载中应对各部件的温度进行设定，在温度预定义场中给定各部件一个初始温度，并将各部件的温度均设定为相同数值，以使得在模拟过程中引起温度场变化的因素只有滑板与界面之间的摩擦。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述最终几何模型中的跳台滑雪助滑道、滑板、运动员以及流体腔进行网格划分，包括：
在选择单元类型的过程中，选择动态的、线性的、热力耦合的，采用六面体实体单元对滑板和流体腔进行划分，采用四面体实体单元自由划分技术对运动员进行网格划分。
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CN102592019A (zh) * 2012-01-06 2012-07-18 北京航空航天大学 一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法
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