CN113740024A - 风洞测试短道速滑人台及其测试位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风洞测试短道速滑人台，其包括：人台本体，其与短道速滑动态姿势一致，且所述人台本体由右腿部位、左腿部位与臀部、左胳膊、右胳膊、上半身和头部五个部分组成，各部分之间通过磁盘扣和螺钉连接固定；仿真人体液态硅胶层，其覆盖在所述人台本体外表面；20个柔性力敏传感器，其嵌入至所述仿真人体液态硅胶层内且表面使用仿皮肤胶带固定。本发明还提供一种风洞测试短道速滑人台压力测试点位置确定方法，通过雷诺数公式计算来确定。本发明可实现多点压力同时测量，可便捷有效地用于风洞空气阻力测试。

Description

风洞测试短道速滑人台及其测试位置确定方法

技术领域

本发明属于风洞测试技术领域，特别是涉及一种风洞测试短道速滑人台及其测试位置确定方法。

背景技术

在竞技体育运动中，运动员需要不断克服各种阻力，如风的阻力、水的阻力等，以更快的速度完成比赛，取得良好的成绩。所谓的风的阻力，即空气阻力，决定运动员运动过程中的空气阻力的主要因素是运动员在比赛中的姿势、设备、配件和竞赛服。其中空气阻力基本由运动员的姿势决定，在优化姿势之后，设计科学的速滑服是减少空气阻力的有效途径之一。

运动员所受的空气阻力主要来自于压差阻力。因此可以通过测量压差阻力来评估竞赛服的减阻效果。风洞空气阻力测试即根据此原理，通过测得风吹过人台穿着服装所形成的压差值，分析服装的减阻性能，从而对竞赛服减阻效果进行评估。人台作为人体的替代品，被用于服装与装备系统的风洞空气阻力测试中，真实的人体肌肤被风吹过会产生挤压形变，其正面迎风面积也会发生变化，从而导致阻力系数会发生变化。但传统人台材质过硬，无法发生形变，并不能反应运动状态下真实的人体情况。此外，直接在人体上测量压力存在一定的局限性：(1)运动过程中，人体状态在不断变化，很难获得更准确的数据；(2)人工测试成本昂贵，且耗时更长；(3)不适合产品的日常评估和测试。所以，在实验测试中，测量人台的模拟程度越高，越有利于帮助人们通过人台提高测试的真实性、准确性和舒适性。

此外，在风洞实验中，目前利用人台测试服装减阻效果的方法主要有两种，直接法和间接法。首先，直接法是通过人台与外部天平直接连接，可以直接测出在风洞中人台所受的总阻力，此法方便快捷，但是无法获得服装具体某一部位的受压和阻力情况。其次，间接法是通过测试服装表面压力来评估服装的减阻效果，通常将外置的压力测试仪器、相关设备固定在人台表面，操作难度大，且测试结果准确性低，此法对服装压力测试仪器要求很高，且现有的服装压力测量设备、测试人台和测试仪器无法满足于科学研究的需要。

综合以上因素，研发一款用于风洞空气阻力测试的动态姿势智能柔性人台，具有与人体相似的柔软回弹性能，能够克服现有硬质人台的柔软性、仿真度、体型代表性等方面的缺陷，且无需任何外部压力测试设备，利用智能柔性人台自身配置的力敏传感器，直接获得人体不同部位的相关压力、阻力测试数据，可极大降低现有服装减阻测试方法的难度。能够模拟运动姿态下人体肌肤的力学性能，可用于风洞空气阻力测试的智能柔性人台是目前急需的科技产品之一，也是体育竞速类服装减阻结构设计与评价的重要技术需求。

发明内容

针对现有硬质人台的测量误差问题，以及真人测试的局限性问题，本发明提供一种风洞测试短道速滑人台及其测试位置确定方法。能够克服上述现有硬质人台的柔软性、仿真度、体型代表性等方面的缺陷，可直接用于风洞空气阻力测试实验，实现人体多个部位压力信号实时同步采集，极大降低风洞服装减阻测试难度，减少测试成本，且测试数据更为可靠。本发明提供的风洞测试短道速滑人台能够模拟运动姿态下人体肌肤的力学性能，人体的模拟性大大提高，相比于硬质人台，测试的真实性、准确性也有所提高，可用于研究服装与装备系统风洞空气阻力以及服装生产(包括服装结构设计、裁剪、试衣等)，为研究体育竞速类服装减阻结构设计与评价体系提供技术支持。

本发明提供了一种风洞测试短道速滑人台，其包括：

人台本体，其与短道速滑动态姿势一致，且所述人台本体由右腿部位、左腿部位与臀部、左胳膊、右胳膊、上半身和头部五个部分组成，各部分之间通过磁盘扣和螺钉连接固定；

仿真人体液态硅胶层，其覆盖在所述人台本体外表面；

20个柔性力敏传感器，其嵌入至所述仿真人体液态硅胶层内且表面使用仿皮肤胶带固定，且其分布位置如下：右大腿中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点、内侧点、外侧点、后中心点；右膝盖的前中心点、内侧45°点、外侧45°点；右小腿中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点；右大臂中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点、后中心点；右肩部前中心点；大腿根部前中心点、外侧点；头部前中心点。

优选的是，所述的风洞测试短道速滑人台中，

所述仿真人体液态硅胶层采用注塑成型法制成，其中硅胶与固化剂的重量份比例为100∶2.5，固化温度为25℃；

所述仿真人体液态硅胶层的厚度为5mm。

优选的是，所述的风洞测试短道速滑人台中，所述柔性力敏传感器的输出线设置在所述仿真人体液态硅胶层内并延伸至所述人台本体的脚部引出体外以与数据采集处理装置电连接。

优选的是，所述的风洞测试短道速滑人台中，

所述人台本体根据短道速滑运动员3维模型的尺寸设置，所述短道速滑运动员的动态姿势为直滑动作；

所述人台本体的脚部具有固定件以与风洞天平固定。

本发明提供一种风洞测试短道速滑人台的测试位置确定方法，其包括以下步骤：

假设人体由多个圆柱形钝体组成，并测试人台上每个所述圆柱形钝体的特征长度，即运动员的身体部位直径；

根据雷诺数公式确定人台受力部位；

Re＝ρvd/μ

其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为特征长度；

v为13-15m/s，ρ为1.29kg/m3，d为0.1m-0.2m，μ为1.7×10-5pa/s，计算得出Re为9.9×10⁴-2.27×10⁵，圆柱体周围气流状态为紊流尾流，人台受力部位为侧面与迎风正面；

确定压力测试点测试位置，共20个点，分别为右大腿中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点、内侧点、外侧点、后中心点；右膝盖的前中心点、内侧45°点、外侧45°点；右小腿中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点；右大臂中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点、后中心点；右肩部前中心点；大腿根部前中心点、外侧点；头部前中心点。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

采用青年男性短道速滑运动员的真实人体数据为基础，通过3D扫描仪获取运动员的三维体表数据，其大小及体型具有代表性；

建立了具有动态姿势的人体模型，让运动员模特摆出短道速滑动态姿势，获取运动员运动姿势下真实的人体数据，构建动态姿势智能柔性人台，能够模拟运动姿态下人体肌肤的力学性能，在风洞空气阻力测试实验中获得更准确真实的测试数据；

柔性人台采用仿真人体液态硅胶，该材料可以模拟真实人体的柔软度、变形性和弹性，受力挤压变形后能够迅速回弹，能够模拟运动状态下人体肌肤；

根据风洞空气阻力测试中人体部位的关键点，将轻薄的柔性力敏传感器配置到柔性人台上，构建了传感器嵌入式的动态姿势智能柔性人台，且所采用的传感器轻薄柔软，数据线隐藏于人台内部，不会对柔性人台外形产生影响，方便测量；

智能柔性人台可实现多个信号实时同步采集，可得到人体不同部位的具体阻力数据，能够单独测试服装各个部位的减阻效果。通过测试出人体局部受力情况，可对速滑竞赛服装各部位的服装面料及服装结构设计进行设计及调整，从而提高运动竞技服装的减阻效果；

应用柔性人台进行测试，测试结果不受主观因素的影响，可以长时间工作，提高工作效率。避免了使用真人模特所带来的费用，降低了测量成本；

智能柔性人台取代了真人来进行压力测量和舒适性评价，优于硬质人台，并将人台与服装的研究推向了一个新的领域。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明提供的风洞测试短道速滑人台的剖面结构图；

图2为本发明提供的风洞测试短道速滑人台的一个实施例的正视图；

图3为本发明提供的风洞测试短道速滑人台的一个实施例的后视图；

图4为本发明提供的风洞测试短道速滑人台的一个实施例的右视图；

图5为本发明提供的风洞测试短道速滑人台的一个实施例的左视图；

图6为本发明提供的风洞测试短道速滑人台的一个实施例中测试点横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本发明提供了一种风洞测试短道速滑人台，其包括：

人台本体1，其与短道速滑动态姿势一致，且所述人台本体1由右腿部位、左腿部位与臀部、左胳膊、右胳膊、上半身和头部五个部分组成，各部分之间通过磁盘扣和螺钉连接固定；

仿真人体液态硅胶层2，其覆盖在所述人台本体1外表面；

20个柔性力敏传感器3，其嵌入至所述仿真人体液态硅胶层2内且表面使用仿皮肤胶带4固定，如图2-图5所示，20个测试点分为7组，分别是：

A.右大腿中间部位的前中心点1、内侧45°点2、外侧45°点3、内侧点4、外侧点5、后中心点6；

B.右膝盖的前中心点7、内侧45°点8、外侧45°点9；

C.右小腿中间部位的前中心点10、内侧45°点11、外侧45°点12；

D.右大臂中间部位的前中心点13、内侧45°点14、外侧45°点15、后中心点16；

E.右肩部前中心点17；

F.大腿根部前中心点18、外侧点19；

G.头部前中心点20。

20个测试点所在位置的横截面如图6所示。

人台本体由树脂材料支撑并作为硬质内壳基底，仿真人体液态硅胶层具有人体软组织的柔软度、变形性和弹性，模拟人体柔性皮肤。

在本发明提供的所述的风洞测试短道速滑人台的一个实施例中，

所述仿真人体液态硅胶层2采用注塑成型法制成，其中硅胶与固化剂的重量份比例为100∶2.5，固化温度为25℃；

所述仿真人体液态硅胶层2的厚度为5mm。

在本发明提供的所述的风洞测试短道速滑人台的一个实施例中，所述柔性力敏传感器3的输出线5设置在所述仿真人体液态硅胶层2内并延伸至所述人台本体1的右脚脚部引出体外以与数据采集处理装置电连接。

在本发明提供的所述的风洞测试短道速滑人台的一个实施例中，

所述人台本体1根据短道速滑运动员3维模型的尺寸设置，所述短道速滑运动员的动态姿势为直滑动作；

所述人台本体1的脚部具有固定件以与风洞天平固定。

本发明提供的风洞测试短道速滑人台的制作方法，包括以下步骤：

以青年男性短道速滑运动员的真实人体数据为基础，通过三维人体扫描仪，扫描青年男性短道速滑运动员，获取运动员模特在短道速滑动态姿势情况下的真实人体三维体表数据，

采用激光三角测量技术，8个相机同时扫描，从被测人体的前左、前右、后左、后右四个方向进行同步扫描，采集360度的人体数据。采用数据处理软件构建短道速滑动态姿势的三维人体人台模型；

根据人体皮肤厚度由3维人体模型相应向内缩小构建人台硬质内壳的3维模型，采用快速成型的3D打印技术打印人台的硬质内壳；针对于短道速滑运动的直道滑行姿势，为使柔性人台可穿着特殊的一体式速滑运动服装，特将柔性人台设计分割成5部分：右腿部位、左腿部位与臀部，左侧胳膊，右侧胳膊，上半身部位与头部。在柔性人台不同部位的接口设计螺丝孔位及磁盘扣连接孔位；采用磁盘扣连接，螺丝加固的方式对不同部位进行连接，方便拆卸的同时，可保证人台在风洞减阻测试中的稳定性及部位连接的牢固度。在柔性人台的脚部位置设计底座孔位，使人台可与风洞底座连接，将智能柔性人台安装与风洞平台中。

采用仿真人体液态硅胶浇筑在人台硬质内壳与人体人台之间，通过注塑成型法模拟人体的柔性皮肤。

选择柔性力敏传感器的配置点，将传感器嵌入在人台液态硅胶材料中，采用仿皮肤胶带进行固定，传感器的信号输出线配置在液态硅胶内部，最后汇集到人台模型右脚部位引出体外，与外部数据采集设备连接。

按照传感器的顺序连接到体外的数据采集装置上，数据采集装置将数据信号传至计算机，计算机对数据信号进行记录、存储和输出。

除了考虑现有风洞实验测试方法和常见速滑服减阻结构设计部位外，还考虑了运动员穿着速滑服时周围的气流变化，以便于精准确定传感器位置及数量。在流体力学中，非流线体如圆柱等都属于钝体。人体可以看成由很多个类似于圆柱体的钝体组成，因此智能柔性人台的传感器配置关键点需要根据钝体空气流体力学的相关知识确定。

速滑运动员运动时空气阻力主要来自皮肤摩擦阻力和压差阻力。压差阻力是由对象运动前后方向之间的压力差产生的，这主要是由于流动分离造成的。钝体有较大的压差阻力，摩擦阻力只占总阻力的0.75-1.5％，可忽略不计。对于圆柱体，其阻力系数在临界雷诺数(约5×10⁶)处突然减小，气流从层流过渡到湍流。这是因为与层流边界层相比，湍流边界层流动时动能更高，克服了圆柱体后部的逆压梯度，并且流动分离延迟，这使得圆柱体前后两侧的压力差区域因压力恢复而减小。因此，尽管皮肤摩擦阻力稍微增加，但是压差阻力减小，所以总阻力减小。

因此，本发明还提供一种风洞测试短道速滑人台的测试位置确定方法，其包括以下步骤：

假设人体由多个圆柱形钝体组成，并测试人台上每个所述圆柱形钝体的特征长度，即运动员的身体部位直径；

根据雷诺数公式确定人台受力部位；

Re＝ρvd/μ

其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为特征长度；

短道速滑运动员的平均速度在13-15m/s，即运动员运动时，周围空气相对流速为13-15m/s，在0℃时，空气密度ρ为1.29kg/m³，特征长度d在此指的是运动员的身体部位直径(大腿即大腿直径，手臂即手臂直径)，约在0.1m-0.2m之间，在0℃时，空气黏性系数μ约为1.7×10^-5pa/s，通过计算得出Re在9.9×10⁴-2.27×10⁵范围内，圆柱体周围气流状态为紊流尾流，因此所受阻力主要在侧面与迎风正面。

确定压力测试点测试位置，共20个点，分别为右大腿中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点、内侧点、外侧点、后中心点；右膝盖的前中心点、内侧45°点、外侧45°点；右小腿中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点；右大臂中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点、后中心点；右肩部前中心点；大腿根部前中心点、外侧点；头部前中心点。

本发明提供的风洞测试短道速滑人台的工作过程为：

首先，将配有柔性力敏传感器的风洞测试短道速滑人台的各个部位进行安装，然后使其穿上短道速滑服；

其次，将底座转接板安装到风洞天平上，然后将人台底座与转接板采用螺丝进行连接固定；

最后，采用螺丝将穿着短道速滑服装的风洞测试短道速滑人台安装固定到底座上。

智能柔性人台的风洞空气阻力测试：短道速滑运动员平均速滑速度在13-15m/s，即运动员运动时，空气相对于速滑运动员的流速在13-15m/s之间，所以风洞空气阻力测试选择12m/s-20m/s的风速进行测试。通过风洞中的主风机转速调整，以达到特定风速。

通过风洞空气阻力测试，可以模拟测试速滑运动员在运动情况下穿着不同材料或不同结构设计的竞赛服装的减阻效果，以及可以测试竞赛服装不同部位的减阻情况。通过柔性力敏传感器，可获知竞赛服局部位置的阻力情况，从而对竞赛服进行局部调整及减阻设计，优化运动竞技比赛服装的设计。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.风洞测试短道速滑人台，其特征在于，包括：

人台本体，其与短道速滑动态姿势一致，且所述人台本体由右腿部位、左腿部位与臀部、左胳膊、右胳膊、上半身和头部五个部分组成，各部分之间通过磁盘扣和螺钉连接固定；

仿真人体液态硅胶层，其覆盖在所述人台本体外表面；

20个柔性力敏传感器，其嵌入至所述仿真人体液态硅胶层内且表面使用仿皮肤胶带固定，且其分布位置如下：右大腿中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点、内侧点、外侧点、后中心点；右膝盖的前中心点、内侧45°点、外侧45°点；右小腿中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点；右大臂中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点、后中心点；右肩部前中心点；大腿根部前中心点、外侧点；头部前中心点。

2.根据权利要求1所述的风洞测试短道速滑人台，其特征在于，

所述仿真人体液态硅胶层采用注塑成型法制成，其中硅胶与固化剂的重量份比例为100∶2.5，固化温度为25℃；

所述仿真人体液态硅胶层的厚度为5mm。

3.根据权利要求2所述的风洞测试短道速滑人台，其特征在于，所述柔性力敏传感器的输出线设置在所述仿真人体液态硅胶层内并延伸至所述人台本体的脚部引出体外以与数据采集处理装置电连接。

4.根据权利要求3所述的风洞测试短道速滑人台，其特征在于，

所述人台本体根据短道速滑运动员3维模型的尺寸设置，所述短道速滑运动员的动态姿势为直滑动作；

所述人台本体的脚部具有固定件以与风洞天平固定。

5.如权利要求1-4任一项所述的风洞测试短道速滑人台的测试位置确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

假设人体由多个圆柱形钝体组成，并测试人台上每个所述圆柱形钝体的特征长度，即运动员的身体部位直径；

根据雷诺数公式确定人台受力部位；

Re＝ρvd/μ

其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为特征长度；

v为13-15m/s，ρ为1.29kg/m3，d为0.1m-0.2m，μ为1.7×10-5pa/s，计算得出Re为9.9×10⁴-2.27×10⁵，圆柱体周围气流状态为紊流尾流，人台受力部位为侧面与迎风正面；

确定压力测试点测试位置，共20个点，分别为右大腿中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点、内侧点、外侧点、后中心点；右膝盖的前中心点、内侧45°点、外侧45°点；右小腿中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点；右大臂中间部位的前中心点、内侧45°点、外侧45°点、后中心点；右肩部前中心点；大腿根部前中心点、外侧点；头部前中心点。

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