(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211196371.2 (22)申请日 2022.09.29 (71)申请人 武汉体育学院 地址 430079 湖北省武汉市洪山区珞 瑜路 461号 申请人 西北工业大 学 (72)发明人 刘干　韩锐　蔺世杰　郑伟涛　 马勇　蒙延荣　刘林　贾孟尧　 黄锐峰　黄昱　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 郑勤振 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于数值模拟的速滑冰刀形变量化计算方 法 (57)摘要 公开了一基于数值模拟的速滑冰刀形变量 化计算方法， 包括： 构建冰刀三维实体模 型； 将冰 刀三维实体模 型导入到有限元网格划分软件， 进 行冰刀各部分的网格划分以及冰网格构建， 建立 速滑冰刀 ‑冰网格模型； 在有限元网格划分软件 中设置冰刀各部分相互关系， 建立冰刀刀刃与冰 面之间的摩擦接触， 赋予冰刀各部分及冰的材料 属性， 设置运动耦合约束及固定边界条件， 施加 蹬冰力、 蹬冰 方向， 并进行分析步的设置， 最后创 建输出文件； 将有限元网格划分软件的输出文件 导入有限元数值模拟软件， 进行冰刀的形变计 算。 本发明能够准确模拟速度滑冰 过程中冰刀形 变的真实情况， 为速度滑冰运动员技术动作和力 量的发挥提供指导。 权利要求书1页 说明书6页 附图6页 CN 115495851 A 2022.12.20 CN 115495851 A 1.一基于数值模拟的速滑冰刀形变量 化计算方法， 其特 征在于， 包括： 利用三维建模软件对冰刀的刀桥、 前支架、 支撑座、 刀管和刀片进行建模， 构建冰刀三 维实体模型； 将建立的冰刀三维实体模型导入到有限元网格划分软件， 利用有限元网格划分软件进 行冰刀各部 分的网格划分以及冰网格构建， 建立速滑冰刀 ‑冰网格模 型， 在对冰刀各部 分进 行网格划分时， 将冰刀的刀桥、 前支架、 支撑座和刀片实体切割为若干单元， 并进行几何模 型的清理， 再进行六面体网格划分， 得到刀桥、 前支架、 支撑座和刀片的规则六面体实体网 格模型， 在 冰刀的刀管表面布 规则三角形网格， 再进 行刀管四面体实体网格的划分， 待四面 体实体网格划分完毕， 删除刀管表面 三角形网格， 得到冰刀 刀管的四面体实体网格模型； 在有限元网格划分软件中设置冰刀刀桥、 前支架、 支撑座、 刀管和刀片相互关系， 建立 冰刀刀刃与冰面之间的摩擦接触， 赋予冰刀刀桥、 前支架、 支撑座、 刀管和刀片以及冰的材 料属性， 设置运动耦合约束及固定边界条件， 施加蹬冰力、 蹬冰方向， 并进 行分析步的设置， 最后创建输出文件； 将有限元网格划分软件的输出文件导入有限元数值模拟软件， 进行冰刀的形变计算， 得到冰刀各部分的形变云图和速滑冰刀任意局部或部件的形变特 征。 2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的速滑冰刀形变量化计算方法， 其特征在于， 冰 网格构建方法包括： 从冰刀六面体实体网格中找到冰刀表面网格， 删除冰刀侧面和上表面网格， 保留冰刀 与冰面接触部分刀刃表面网格， 将刀刃表面网格从冰刀六面体实体网格中分离； 以刀刃表面网格为基础， 将刀刃表面网格结点横向偏移形成刀刃与冰接触的表面， 即 冰的宽度， 同时以网格为单 元重新布规则四边形网格， 完成冰的表面网格布置； 进行冰的表面网格的偏移， 形成冰的六面体实体网格， 然后删除冰的表面四边形网格 仅仅保留冰的六面体实体网格， 完成冰的六面体网格模型建立。 3.根据权利要求1所述的基于数值模拟的速滑冰刀形变量化计算方法， 其特征在于， 刀 桥与前支 架、 刀桥与支撑座、 前支 架与刀管、 支撑座与刀管、 刀管与刀片之间为绑定 接触。 4.根据权利要求1所述的基于数值模拟的速滑冰刀形变量化计算方法， 其特征在于， 对 刀桥连接冰鞋的前连接孔和 后连接孔、 前支架与刀管、 支撑座与刀管做6自由度运动耦合约 束； 对冰的底 面做6自由度运动耦合约束； 对刀桥5做自由度运动耦合约束， 释放冰刀与冰面 垂直方向的自由度； 对刀刃做4自由度运动耦合约束， 释放冰刀与冰面垂直方向、 侧移方向 的自由度。 5.根据权利要求1所述的基于数值模拟的速滑冰刀形变量化计算方法， 其特征在于， 在 冰刀刀桥前表面和后表面创建结点集， 在结点集上施加蹬冰力， 蹬冰力的方向与刀桥表面 垂直。 6.根据权利要求5所述的基于数值模拟的速滑冰刀形变量化计算方法， 其特征在于， 通 过改变刀桥前表面和后表面结点 集数量和/或蹬冰力的大小改变总蹬冰力的大小。 7.根据权利要求5或6所述的基于数值模拟的速滑冰刀形变量化计算方法， 其特征在 于， 通过绕冰刀中心轴旋转调整冰刀与冰面之间的夹角， 进 而实现蹬冰力角度的改变。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115495851 A 2基于数值模拟 的速滑冰刀形变量化计算方 法 技术领域 [0001]本发明属于结构力学及其数值模拟技术领域， 尤其涉及 一种基于数值模拟的速滑 冰刀形变量 化计算方法。 背景技术 [0002]冰刀是速度滑冰运动的基础装备， 速度滑冰过程中冰刀的形变将直接影响运动员 的技术动作、 力量的发挥及运动功效。 速滑冰刀由刀桥、 前支架、 支撑座、 刀管和刀片五部 分 组成， 随着新材料技术的发展， 速滑冰刀各部 分的材料也在不断更新优化， 推动 着冰刀性能 不断提升。 速度 滑冰运动过程中的前进动力来源于运动员向左后方或右后方蹬冰产生的蹬 冰力。 冰刀材料、 蹬冰力和蹬冰角度会影响速滑过程中冰刀的形变， 而冰刀的形变对运动员 的技术动作、 力量的发挥及运动功效有较大影响。 因此， 如何对速度 滑冰过程中冰刀形变进 行量化， 是当前开展速滑冰刀材 料选择及蹬冰技 术优化研究所面临的重要问题。 [0003]现阶段， 对于速滑冰刀形变特征的理论研究与实践经验极其缺乏。 一方面， 速滑冰 刀刀桥、 前支架、 支撑座、 刀管和刀片等各部分所使用的材料并不一致， 在研究材料特性对 速滑冰刀形变的影响时， 需要先针对冰刀各个部分研制多种 材料， 再将各种 材料加以组合 搭配并制 造成真实速滑冰刀， 然后再开展材料对速滑冰刀形变的影响分析， 此过程需要耗 费大量时间调试各部分材料 的工艺参数， 效率低； 另一方面， 速滑冰刀的形变量较小， 且在 速滑运动过程中， 运动员会采用多种蹬冰姿态进行蹬冰， 现实情况中无法实时采集运动员 在高速滑行下因采用多种蹬冰力、 蹬冰角度而引起的冰刀较小形变量， 也就无法开展运动 员运动过程中速滑冰刀形变的量 化分析。 发明内容 [0004]本发明公开了一种基于数值模拟的速滑冰刀形变量化计算方法， 实现对速滑冰刀 形变的量化， 能够系统研究不同冰刀材料、 不同蹬冰力、 不同蹬冰角度下速滑冰刀的形变特 征， 对显著提升 速滑冰刀的力学性能， 全面 提高速度滑冰运动效率 提供理论和技 术支撑。 [0005]根据本发明实施例一方面， 提供一基于数值模拟的速滑冰刀形变量化计算方法， 包括： [0006]利用三维建模软件对冰刀的刀桥、 前支架、 支撑座、 刀管和刀片进行建模， 构建冰 刀三维实体模型； [0007]将建立的冰刀三维实体模型导入到有限元网格划分软件， 利用有限元网格划分软 件进行冰刀各部 分的网格划分以及 冰网格构建， 建立速滑冰刀 ‑冰网格模型， 在 对速滑冰刀 各部分进行网格划分时， 将冰刀的刀桥、 前支架、 支撑座和刀片实体切割为若干单元， 并进 行几何模型的清理， 再进行六面体网格划分， 得到刀桥、 前支架、 支撑座和刀片的规则六面 体实体网格模型， 在冰刀的刀管表面布规则三角形网格， 再进行刀管四面体实体网格的划 分， 待四面体实体网格划分完毕， 删除刀管表面三角形网格， 得到冰刀刀管的四面体实体网 格模型；说　明　书 1/6 页 3 CN 115495851 A 3