冰场设计与运动员蹬冰反力数据的关系

1、冰场设计与运发动蹬冰反力数据的关系摘要:随着国家对冰雪运动的逐渐重视，国内冰场建设也需要投入更多精力。不 同的冰场条件影响着运发动的成绩，在冰场建设中，利用运发动的成绩来探讨 冰场建设十分可行。基于ABAUQS软件建立装配式冰场和传统冰场的有限元 模型，来模拟蹬冰过程中冰刀与冰面的复杂接触关系，在不同厚度的冰层下， 获取运发动蹬冰反力数据并进行分析，研究成果为冰场建设提供技术支持。关键词:短道速滑;冰场建设;蹬冰反力;有限元分析;计算机仿真影响短道速滑运发动成绩的因素十分复杂，而蹬冰反力是运发动前进的动力来 源，因此，本文在不同冰场模型下模拟蹬冰状态，分析不同冰层厚度下不同的 蹬冰反力结果。目

2、前，运动冰场通常采用浇筑防冻抗渗混凝土作为基础，按照 人工冰场形式的不同，分为装配式冰场和传统冰场1 。2种冰场的区别在于 装配式冰场的冰层下方是挤塑板，挤塑板的下方是混凝土层，而传统冰场的冰 层下方直接铺设混凝土层。目前，业界借助计算机仿真技术分析不同冰场冰层 的厚度对运发动蹬冰反力的影响鲜少涉及。鉴于此，本文基于Abaqus/CAE仿 真软件，建立装配式冰场和传统冰场2种有限元模型,讨论冰层厚度对短道速 滑运发动蹬冰反力的影响，通过分析不同蹬冰反力结果对冰场设计提供一些指 导。1国内外研究迸展近年来，国内外的专家学者对人工冰场外部条件及制冷方法进行了分析，旨在 降低冰场的能源消耗，提升冰场

3、的能源利用率，从节约冰场能源的角度对冰场 建设提出一系列措施。Stubert等2 提出运用合理建造冰场建筑的方法来降 低能源需求，从而改善冰场的可持续性特征。王派等3分析了直冷式和间冷 式制冷的优缺点，介绍了 C02跨（亚）临界直接蒸发式人工冰场的关键技术和主 要性能，表达了很好的节能效果。冰层厚度与制冷系统的运行能耗紧密相关， 刘维等4比照了国外在室内温湿度、新风量设计标准的异同,给出了针对冰 场建筑在空调除湿系统和通风等方面的参考，并结合我国气候特点，提出了合 理的冰场温度、冰层设计厚度等设计参数。在科技冬奥的影响下，仿真冰 场的分析模拟得到大力推广，刘秀平等5 针对仿真冰场制定了相应的国

4、家标 准，为仿真冰场建设提供更严谨的技术和监管依据。2短道速滑蹬冰反力测算方法本文基于ABAQUS软件6 建立了冰刀、冰层及混凝土层的三维冰场有限元 模型，分析过程中，考虑冰刀从直立状态沿冰刀前进方向沿顺时针逐渐倾斜的 过程,每次倾斜5。直至冰刀倾斜至25。冰层厚度分别为29 . 1mm、35m m、40mm ,装配式冰场中挤塑板厚度为30mm，传统冰场中混凝土层厚度为 100mm 1 0其他模型参数为:冰刀的长度、宽度和厚度的尺寸分别为430m m、24mm和1 . 2mm，倒圆角半径为24mm;冰面模型的长度、宽度分别为 1000mm和50mm。将冰刀、冰层以及混凝土层的三维模型进行装配，

5、形成 完整的传统冰场有限元模型。建模过程中，冰刀前进方向为x轴，与x轴垂直 且沿着刀身向外方向为y轴，垂直冰刀刀身方向为z轴。冰刀、冰及混凝土的 材料参数设置为7 :冰刀材料为钢，弹性模量为210Gpa ,泊松比为0 . 3;冰 的密度为920kg/m-38,弹性模量为8 . 58Gpa ,泊松比为0 . 33 9 ; 挤塑板的密度为30kg/m - 3 ,弹性模量为6 . 6Mpa ,泊松比为0.28混凝土 密度为2500kg/m - 3 ,弹性模量为30Gpa ,泊松比为0 . 2。冰刀与冰层之间 的摩擦设为滑动摩擦，摩擦系数为0.005 10 ；冰层与挤塑板间采用摩擦罚接 触，摩擦系数设

6、置为0.1；冰层与混凝土层之间的摩擦设为切向罚接触，摩擦系 数为0 . 1。对混凝土层底面四周施加固定约束，在冰刀上外表设置耦合作用 点，在作用点上施加运发动的运动参数，运发动在滑行中，施加自重荷载外， 加速度为12m/s2 ,速度为11 . 28m/s（女性运发动的平均速度），定义的有限 元模型如图L图2所示。ABAUQS/Explicit显式求解器11适合模拟短 暂、瞬时的冰刀蹬冰动作，蹬冰过程中冰刀与冰层外表接触时间较短，根据国 家体育总局训练中心所做测试数据，设置冰刀与冰面接触时间为0 . 0035s。3试验结果分析选取冰层厚度分别为29 . 1mm、35mm、40mm以及蹬冰角度逐渐

7、倾斜至2 5。的工况，基于Abaqus软件对运发动在装配式冰场模型与传统冰场模型进行 研究，获取各个工况的竖向反力与侧向反力。侧向力与运发动前进的驱动力更 为相关，选取倾斜5。、15。、25。时装配式冰场和传统冰场的分析结果，如图 3 8所示。由图3和图4可知，当蹬冰角度为5。时，29 . 1mm厚冰层对应 的侧向反力均值最大，35mm和40mm厚冰层的侧向反力均值曲线基本重 合。由图5、图6可知，不同冰层厚度的装配式冰场模拟的侧向反力均值曲线 随着冰刀倾斜角度的增加，曲线逐渐重合，且冰层越厚，初始时间附近的侧向 反力均值越小;当冰刀倾斜25。时;40mm、35mm和29 . 1mm厚冰层对应

8、的侧向反力均值分别为237 . 59N、229 . 85N、229 . 13N ,后两者的侧向反力 均值接近，意味着当冰层厚度超过35mm时，即使厚度值增加，侧向力值增加 也偏小。由图7、图8可知，对于传统冰场模型，在冰刀倾斜15。时，分析步 时间的前半段，冰层厚度35mm时，侧向反力均值最大，分析步时间的后半 段，冰层厚度越大侧向反力均值增加逐渐加快;随着冰刀倾斜角度的增加，当冰 刀倾斜至25。时,分析步时间前半段，冰层越厚侧向反力均值越小，随着分析 步时间的增加，由图8可知，3条曲线逐渐重合，侧向反力均值变化的规律与 分析前半段的规律相同。4结论短道速滑冰场的设计、建设工作，不仅与运发动速滑成绩密切相关，更与能源 消耗相关。本文针对装配式冰场、传统冰场建立有限元模型，分析不同冰层厚 度、不同蹬冰角度等工况，得出以下结论。）短道速滑装配式冰场在直道滑行区 冰层应较薄，弯道加速