CN113413581A

CN113413581A - 利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统

Info

Publication number: CN113413581A
Application number: CN202110834403.6A
Authority: CN
Inventors: 李波; 张渊召; 田玉基; 陈伟湖
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2021-07-23
Filing date: 2021-07-23
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2041-07-23
Also published as: CN113413581B

Abstract

本发明提供了一种利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统。包括：风洞、测力天平、摄像监控装置、信息实时显示装置、赛道和姿态调整装置；测力天平固定安装在风洞的底板上，姿态调整装置固定安装在测力天平上，嵌入在赛道的底板上面，用户利用姿态调整装置趴附在钢架雪车上；风洞产生的风吹往用户，姿态调整装置辅助调整用户的姿态，摄像监控装置录制用户的实时运动视频，测力天平测量用户受到的风阻数据，信息实时显示装置的信息画面实时显示风洞的风速、风阻数据和对用户的运动姿势控制命令等。本发明装置用定量化的风阻力，帮助教练员、用户进行关键技术动作的姿态优化与强化训练，协助技术人员进行高性能运动装备的研发。

Description

利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统

技术领域

本发明涉及赛道环境下钢架雪车模拟训练技术领域，尤其涉及一种利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统。

背景技术

钢架雪车是冬奥会正式比赛项目，竞赛成绩差距往往是百分之几秒。为了提高成绩，需要对关键技术动作姿态、装备进行风阻性能优化，对关键技术动作展开强化模拟训练。

车撬类项目(如钢架雪车、雪橇、雪车等)在运动过程中，运动速度引起的风阻力是占比最大的阻力，对比赛成绩影响很大。而风阻力的大小又和用户的运动姿态、运动装备密切相关。

根据相对运动原理，利用风洞里的风速能够模拟赛道环境下钢架雪车的运动速度，在此环境下便于开展姿态风阻优化、装备风阻优化与强化训练。

现有技术中的赛道环境下钢架雪车的风阻模拟方法的缺点为：

1、实际场地无法准确测量得到用户、运动装备受到的风阻力，只能通过理想化的计算模型，反推风阻力，误差大。

2、在现有技术条件下，无法通过定量数据去优化用户关键技术动作的姿态；

3、在现有技术条件下，用户的姿态优化，多是依靠经验进行，效果欠佳。

4、运动装备研发大多依据人台模型试验，无法快速、准确评测在运动装备的风阻性能。

发明内容

本发明的实施例提供了一种利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统，包括：风洞、测力天平、摄像监控装置、信息实时显示装置、赛道和姿态调整装置；

所述测力天平固定安装在风洞的底板上，所述姿态调整装置固定安装在测力天平上，所述姿态调整装置嵌入在赛道的底板上面，用户利用姿态调整装置以特定的姿态趴附在钢架雪车上；

所述摄像监控装置多机位固定安装在风洞内壁，对用户进行多角度实时拍摄，所述信息实时显示装置与所述摄像监控装置相连，所述信息实时显示装置的信息画面位于用户正前方的风洞底面上；

所述风洞产生的风速大小可调，吹往用户所在的方向，所述姿态调整装置辅助调整用户的姿态，保持用户在不同风速、姿态下的动作稳定；所述摄像监控装置录制用户的实时运动视频，所述测力天平测量所述用户受到的风阻数据，将风阻数据传输给所述信息实时显示装置，所述信息实时显示装置的信息画面实时显示风洞的风速、用户受到的风阻数据、用户的姿势状态信息和对用户的运动姿势控制命令。

优选地，所述摄像监控装置的数量大于两个，摆放位置分别为用户正上方、正侧方，所述信息实时显示装置的画面呈现在用户俯卧姿态时头部的前方。

优选地，所述风洞的试验段的长*宽*高不小于8m*2.5m*2m，所述风洞的侧壁设置透明观察窗，风洞的实际试验风速范围在0～30m/s内可调。

优选地，所述测力天平的沿顺风向的量程不应小于300N，测力天平的上表面与风洞试验段地面齐平。

优选地，所述姿态调整装置包括转接板、刃轨固定件、头部支撑件、腿部支撑件、竖向升降支撑、赛道侧壁板、赛道底板和赛道底板升降件；

所述转接板为刚性板，在转接板中不同位置处预设螺纹孔洞，所述刃轨固定件、头部支撑件、腿部支撑件分别通过螺纹孔洞实现在板面上的位置调节；利用螺栓将转接板的下表面与竖向升降支撑刚性连接，竖向升降支撑为刚性材料，若干竖向升降支撑配合使用，对转接板的水平位置的高度进行调节。

优选地，所述刃轨固定件的整体外形为一面为光滑弧形凹槽的直角梯形块，将刃轨固定件的两个直角梯形块的弧形凹槽立面对称压扣在钢架雪车刃轨的两侧，通过螺栓将直角梯形块固定在转接板的上表面。

优选地，所述头部支撑件的整体外形呈Z字型，Z字上端为具有一定宽度的平台，Z字中部包含能够调整平台竖向高度的螺钉和螺纹孔；Z字下端通过螺栓固定在螺纹孔洞内。

优选地，所述腿部支撑件包含高度调节架、“冖”型支撑板和海绵垫，所述冖型支撑板的两端插放在两侧高度调节架上，所述海绵垫接在支撑板的上方，插入到高度调节架内，通过螺钉将高度调节架和支撑板固定连接，高度调节架的沿高均匀布设了多个孔洞，供冖型支撑板的高度调节；高度调节架的底部通过螺栓固定在螺纹孔洞内。

优选地，通过转动竖向升降支撑的调节螺母实现竖向升降支撑的高度调节。

优选地，所述赛道包括赛道侧壁板、赛道底板和赛道底板升降件，赛道整体与整个姿态调整装置分别独立安装，在风洞底面上无任何连接，赛道的侧壁板为刚性透明有机玻璃板，赛道底板上铺设光滑贴纸，赛道底板上预设有供转接板嵌入的孔洞，孔洞周围与转接板的四周预留3～5mm缝隙，在赛道底板的下方，刚性连接有竖向高度可调的位置底板升降件。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供了一种利用风洞的钢架雪车风阻测试和模拟训练装置，用定量化的风阻力，帮助教练员、用户进行关键技术动作的姿态优化与强化训练，协助技术人员进行高性能运动装备的研发。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，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利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统的应用场景示意图；

图2为本发明实施例的姿态调整装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的一种刃轨固定件的结构示意图

图4是本发明实施例的一种头部支撑件的结构示意图

图5是本发明实施例的一种腿部支撑件的结构示意图

图6-a、b是本发明实施例的一种竖向升降支撑示意图和赛道底板升降件的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种赛道的结构图。

附图标记说明：

I-风洞；II-测力天平系统；III-摄像监控装置；IV-信息实时显示装置；V-姿态调整装置；VI-钢架雪车；VII-用户；VIII-赛道；1-转接板；2-刃轨固定件；3-头部支撑件；4-腿部支撑件；5-竖向升降支撑；6-刃轨固定件位置调节孔；7-头部支撑件位置调节孔；8-腿部支撑件位置调节孔；9-转接板的迎风刃缘；10-赛道侧壁板；11-赛道底板；12-赛道底板升降件；13-赛道侧壁和底板的迎风刃缘；21-刃轨固定件一侧的弧形凹槽；22-直角梯形块；23-连接螺栓；24-条状孔洞；31-头部支撑件上端的支撑平台；32-调整头部支撑平台高度的螺钉；33-调整头部支撑平台高度的螺孔；34-条状孔洞；41-腿部支撑件中的高度调节架；42-腿部支撑件中的支撑板；43-腿部支撑件中的海绵垫；44-条状孔洞；51-竖向升降支撑的调节螺母。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明提供了一种利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统，根据相对运动原理，利用风洞里的风速模拟赛道环境下钢架雪车的运动状态，在此环境下开展姿态风阻优化、装备风阻优化和强化训练。

图1为本发明实施例提供的一种利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统的应用场景示意图。图1所示的场景中包括风洞I、测力天平II、摄像监控装置III、信息实时显示装置IV、姿态调整装置V、钢架雪车VI、用户VII和赛道VIII协同工作。

所述测力天平固定安装在风洞的底板上，姿态调整装置固定安装在测力天平上，姿态调整装置嵌入在赛道的底板上面，用户利用姿态调整装置趴附在钢架雪车上。

所述摄像监控装置多机位固定安装在风洞内壁，对用户进行多角度实时拍摄，所述信息实时显示装置与所述摄像监控装置相连，所述信息实时显示装置的信息画面位于用户头部正前方，方便用户观察的位置处。

所述风洞产生大小可调的风速吹往用户所在的方向，所述姿态调整装置辅助调整用户的姿态，保持用户在不同风速、姿态下的动作稳定；所述摄像监控装置录制用户的实时运动视频，所述测力天平测量所述用户受到的风阻数据，将风阻数据传输给所述信息实时显示装置，所述信息实时显示装置的信息画面实时显示风洞的风速、用户受到的风阻数据、用户的姿势状态信息和对用户的运动姿势控制命令。

利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统配合使用的技术要求为：

比赛时，以20～35m/s的速度占整个比赛时间的90％以上，故风洞I的实际试验风速范围宜保证在0～30m/s内可调，试验段长*宽*高不宜小于8m*2.5m*2m，应保证风洞可产生均匀稳定的风场，足够的空间进行器材设备的安装与摆放，侧壁宜设置透明观察窗，以便于实时监测运动的动作是否存在问题或危险。

测力天平II沿顺风向的量程不应小于300N，测力天平的上表面与风洞试验段地面齐平。

摄像监控装置III不应小于两个，摆放位置分别为用户正上方、正侧方，以便于多角度、反复观察用户技术动作情况。

信息实时显示装置IV位置可安装在用户俯卧姿态时，头部的正上方，能使用户清楚看到投影画面中的信息反馈即可，若要提高投影画面清晰度，可在投影区域铺粘成像效果好的材料辅助呈像。

整体而言，风洞I可产生稳定且大小可调的风速，风洞I内部可形成稳定均匀的流场，吹往用户VII所在的方向，用户VII趴附在钢架雪车VI上；利用摄像监控装置IV转播并录制用户VII训练及测试的实况视频，通过信息实时显示装置IV中的画面，随时对用户下达技术动作指令；通过姿态调整装置V和赛道VIII一方面模拟用户比赛时的赛道环境，另一方面将固定在姿态调整装置V上的钢架雪车VI及用户VII受到的风阻实时、稳定的传递到测力天平II上，通过测力天平II进行阻力数据采集。

图2为本发明实施例提供的一种姿态调整装置的结构示意图。姿态调整装置V包括转接板1、刃轨固定件2、头部支撑件3、腿部支撑件4、竖向升降支撑5；

转接板1为刚性板，通过在转接板1中不同位置处预设螺纹孔洞，以满足刃轨固定件2、头部支撑件3、腿部支撑件4分别通过各自专属的螺纹孔洞，实现在板面上的位置调节。利用螺栓将转接板1的下表面与竖向升降支撑5刚性连接，竖向升降支撑5为刚性材料，若干竖向升降支撑5配合使用，可对转接板1的水平位置的高度进行调节。

本发明实施例提供的一种刃轨固定件2的结构示意图如图3所示，刃轨固定件2的整体外形为一面为光滑弧形凹槽21的直角梯形块22，将刃轨固定件2的两个直角梯形块22的弧形凹槽立面对称压扣在钢架雪车刃轨的两侧，并通过螺栓23将直角梯形块22固定转接板1的上表面；通过刃轨固定件2的挤压固定，以限制钢架雪车在不同测试情况下可能产生的滑移；刃轨固定件2配合自己所属的螺纹孔洞6和条状孔洞24使用，可以适用于不同刃轨间距的钢架雪车。

本发明实施例提供的一种头部支撑件3的结构示意图如图4所示，整体外形呈“Z”字型，Z字上端为具有一定宽度的平台31，可满足用户头部的平稳倚放；Z字中部包含可调整平台31竖向高度的螺钉32和螺纹孔33；Z字下端通过螺栓固定在本构件所属的螺纹孔洞7内。

本发明实施例提供的一种腿部支撑件4的结构示意图如图5所示，包含高度调节架41、“冖”型支撑板42和海绵垫43。冖型支撑板42为门型刚性板，其两端插放在两侧高度调节架41上。海绵垫43与冖型支撑板42上部板的尺寸完全对齐，粘接在支撑板42的上方，插入到高度调节架41内的支撑板42上预设有孔洞，通过螺钉将高度调节架41和支撑板42二者固定连接，高度调节架41的沿高均匀布设了多个孔洞，供冖型支撑板42的高度调节；高度调节架42的底部通过螺栓固定在本构件所属螺纹孔洞8内。一方面可保证用户在长时间、大风速下，技术动作保持的稳定性，另一方面对于不同体型用户均可达到此稳定效果。

本发明实施例提供的一种竖向升降支撑5的结构示意图如图6所示，通过转动竖向升降支撑的调节螺母51实现竖向升降支撑5的高度调节；以实现风阻测试结果不受风洞边界层的影响。

图7为本发明实施例提供的一种赛道结构示意图。赛道VIII包括赛道侧壁板10、赛道底板11和赛道底板升降件12；所述各构件均为可抵抗风致变形的构件，以防干扰风阻测试的结果。

本发明实施例提供的一种赛道的结构图如图7所示，赛道的侧壁板10为刚性透明有机玻璃板，赛道底板11上铺设利于视频呈像的光滑贴纸，赛道底板11上预设有供转接板1嵌入的孔洞，孔洞周围与转接板1的四周预留3～5mm缝隙，赛道整体与转接板1无接触。赛道整体与整个姿态调整装置分别独立安装，在风洞底面上无任何连接，在减弱来流边界层效应对测试结果影响的同时，还能比较精确的模拟用户实际运动时，身体周围的空气绕流情况，以提升测试结果的准确性。赛道整体在使用过程中，必须保证与测力天平及固定在测力天平上的相关构件无任何接触，同时还应确保赛道满足刚性要求，不能发生影响气流的振动。

在赛道底板11的下方，刚性连接有竖向高度可调的位置底板升降件12，若干赛道底板升降件12协同使用，在满足赛道底板水平位置的调节同时，还可提高赛道的竖向承载力，确保在重力和风力的作用下，避免在大风速下发生失稳倾覆。

上述本发明实施例提供的一种利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统的使用过程包括：

1.用户在测试前，先将姿态调整装置V固定在测力天平II上，嵌入在赛道VIII的底板上面；

2.控制风洞I改变风速，风洞I内部可形成稳定均匀的流场，吹往用户VII所在的方向，用户VII利用姿态调整装置V趴附在钢架雪车VI上；

3.利用摄像监控装置IV转播并录制用户VII训练及测试的实况视频，通过信息实时显示装置中的画面，随时对用户VII下达技术动作指令；

4.最后通过本发明的姿态调整装置V，一方面模拟用户VII比赛时的赛道环境，另一方面将固定在其上的钢架雪车VI及用户VII受到的风阻，实时、稳定的传递到测力天平II上，并进行阻力数据采集。

5.通过分析用户在不同风速下各运动姿态的阻力数据，调整优化用户的关键技术动作。

本发明中所提出的一种利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练装置构造中，各部件的尺寸、材料、配置等可根据具体的要求进行替换修改；

本发明提出的一种利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试系统中，风洞试验段的尺寸、摄像监控装置的配置等可以适当调整。

本发明提出的一种利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试系统中，姿态固定装置和模拟风环境的风洞相结合的训练测试方法，可适用于其他车撬项目的训练测试。

综上所述，本发明实施例提出了在风洞中进行钢架雪车项目的风阻测试、运动装备优化、模拟训练。通过设置刃轨固定件，不仅能保证钢架雪车在各种风阻测试条件下不发生滑动，对于不同型号钢架雪车也可保证相同的固定效果。通过头部支撑件和腿部支撑件，令用户在大风速、长时间的测试条件下，能够保持技术动作的平稳性，实现关键技术动作的分解，从而实现运动姿态的优化。

本发明通过设置赛道更高精度的模拟钢架雪车及用户的风阻测试环境，令风阻测试结果免受风洞底板壁面效应的影响。通过对赛道、转接板、刃轨固定件、头部支撑件、腿部支撑件的钝体迎风部分，特别的将外形气动优化为迎风刃，以减小构件对流场的干扰，提高风阻测试的准确性。

本发明创新性的提出了在风洞中进行钢架雪车项目的用户风阻优化、运动装备优化、模拟训练；姿态固定装置能够使用户保持不同的运动姿势，实现关键技术动作的分解，从而实现运动姿态的优化。

本发明实施例的装置可以开展钢架雪车、雪车、雪橇等车撬类项目的风阻测试。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种利用风洞的赛道环境下钢架雪车风阻测试和模拟训练系统，其特征在于，包括：风洞、测力天平、摄像监控装置、信息实时显示装置、赛道和姿态调整装置；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述摄像监控装置的数量大于两个，摆放位置分别为用户的正上方、正侧方，所述信息实时显示装置的画面呈现在用户俯卧姿态时头部的前方。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述风洞的试验段的长*宽*高不小于8m*2.5m*2m，所述风洞的侧壁设置透明观察窗，风洞的实际试验风速范围在0～30m/s内可调。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测力天平的沿顺风向的量程不应小于300N，测力天平的上表面与风洞试验段地面齐平。

5.根据权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，所述姿态调整装置包括转接板、刃轨固定件、头部支撑件、腿部支撑件、竖向升降支撑、赛道侧壁板、赛道底板和赛道底板升降件；

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述刃轨固定件的整体外形为一面为光滑弧形凹槽的直角梯形块，将刃轨固定件的两个直角梯形块的弧形凹槽立面对称压扣在钢架雪车刃轨的两侧，通过螺栓将直角梯形块固定在转接板的上表面。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述头部支撑件的整体外形呈Z字型，Z字上端为具有一定宽度的平台，Z字中部包含能够调整平台竖向高度的螺钉和螺纹孔；Z字下端通过螺栓固定在螺纹孔洞内。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述腿部支撑件包含高度调节架、“冖”型支撑板和海绵垫，所述冖型支撑板的两端插放在两侧高度调节架上，所述海绵垫接在支撑板的上方，插入到高度调节架内，通过螺钉将高度调节架和支撑板固定连接，高度调节架的沿高均匀布设了多个孔洞，供冖型支撑板的高度调节；高度调节架的底部通过螺栓固定在螺纹孔洞内。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，通过转动竖向升降支撑的调节螺母实现竖向升降支撑的高度调节。

10.根据权利要求1至9任一项所述的系统，其特征在于，所述赛道包括赛道侧壁板、赛道底板和赛道底板升降件，赛道整体与整个姿态调整装置分别独立安装，在风洞底面上无任何连接，赛道的侧壁板为刚性透明有机玻璃板，赛道底板上铺设光滑贴纸，赛道底板上预设有供转接板嵌入的孔洞，孔洞周围与转接板的四周预留3～5mm缝隙，在赛道底板的下方，刚性连接有竖向高度可调的位置底板升降件。