引言

第 24 屆冬奧會(huì)將于 2022 年在北京舉辦，2019 年 3 月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于以 2022 年北京冬奧會(huì)為契機(jī)大力發(fā)展冰雪運(yùn)動(dòng)的意見》之后，國家全力推進(jìn)“科技冬奧”重點(diǎn)攻關(guān)[1]。影響短道速滑運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的因素十分復(fù)雜，而蹬冰反力是運(yùn)動(dòng)員前進(jìn)的動(dòng)力來源，在影響短道速滑運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的因素中，不同的比賽場(chǎng)地都會(huì)影響著運(yùn)動(dòng)員蹬冰反力的大小，進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)員成績(jī)。目前，運(yùn)動(dòng)冰場(chǎng)通常采用澆筑防凍抗?jié)B混凝土作為基礎(chǔ)，按照人工冰場(chǎng)形式的不同，分為裝配式冰場(chǎng)和傳統(tǒng)冰場(chǎng)[2]，兩種冰場(chǎng)的區(qū)別在于裝配式冰場(chǎng)的冰層下方是擠塑板，擠塑板的下方是混凝土層，而傳統(tǒng)冰場(chǎng)的冰層下方直接鋪設(shè)混凝土層。

 

目前，裝配式冰場(chǎng)較傳統(tǒng)冰場(chǎng)更為新穎，業(yè)界對(duì)于裝配式冰場(chǎng)的資料更為稀少，借助于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析冰場(chǎng)冰層的厚度對(duì)運(yùn)動(dòng)員蹬冰反力的影響鮮少涉及。鑒于此，本文基于 Abaqus 仿真軟件，建立裝配式冰場(chǎng)和傳統(tǒng)冰場(chǎng)兩種有限元模型，討論冰層厚度對(duì)短道速滑運(yùn)動(dòng)員蹬冰反力的影響，提出一些指導(dǎo)意見。

 

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

隨著 2022 年北京冬奧會(huì)的臨近，國家和各地政府部門大力支持冰雪運(yùn)動(dòng)的開展，仿真冰場(chǎng)的分析模擬得到大力推廣，劉秀平等[3]針對(duì)仿真冰場(chǎng)制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，為仿真冰場(chǎng)建設(shè)提供更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)和監(jiān)管依據(jù)。近年來，國內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)人工冰場(chǎng)外部條件及制冷方法進(jìn)行了分析，從而降低冰場(chǎng)的能源消耗，提升冰場(chǎng)的能源利用率。D?ppenschmidt用原子力學(xué)顯微鏡研究 35℃以上溫度范圍內(nèi)冰的表面熔化，得出冰上液態(tài)層的厚度由力與距離的跳躍曲線確定的結(jié)論。

 

Stubert 等[5]提出運(yùn)用合理建造冰場(chǎng)建筑的方法來降低能源需求從而改善冰場(chǎng)的可持續(xù)性特征。王派等[6]分析了直冷式和間冷式制冷的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了 CO2跨（亞）臨界直接蒸發(fā)式人工冰場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和主要性能，體現(xiàn)了很好的節(jié)能效果。

 

冰層厚度與制冷系統(tǒng)的運(yùn)行能耗緊密相關(guān)，劉維等[7]對(duì)比了國外在室內(nèi)溫濕度、新風(fēng)量的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的異同，給出了針對(duì)冰場(chǎng)建筑在空調(diào)除濕系統(tǒng)和通風(fēng)等方面的參考，并結(jié)合我國氣候特點(diǎn)，提出了合理的冰場(chǎng)溫度、冰層設(shè)計(jì)厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)。

 

2 短道速滑蹬冰反力測(cè)算方法

本文基于 Abaqus 軟件[8]建立了冰刀、冰層及混凝土層的三維冰場(chǎng)有限元模型，分析過程中，考慮冰刀從直立狀態(tài)沿冰刀前進(jìn)方向的沿順時(shí)針逐漸傾斜過程，每次傾斜 5°直至冰刀傾斜至 25°,冰層厚度分別為 29.1mm、35mm、40mm,裝配式冰場(chǎng)中擠塑板厚度為 30mm，傳統(tǒng)冰場(chǎng)中混凝土層厚度為 100mm[2]。其他模型參數(shù)如下：冰刀的長(zhǎng)度、寬度和厚度的尺寸分別為 430mm、 24mm 和 1.2mm，倒圓角半徑為 24mm；冰面模型的長(zhǎng)度、寬度分別為 1000mm 和 50mm。將冰刀、冰層以及混凝土層的三維模型進(jìn)行裝配，形成完整的傳統(tǒng)冰場(chǎng)有限元模型。建模過程中，冰刀前進(jìn)方向?yàn)?X 軸，與 X 軸垂直且沿著刀身向外方向?yàn)?Y 軸，垂直冰刀刀身方向?yàn)?Z 軸。

 

冰刀、冰及混凝土的材料參數(shù)[9]設(shè)置如下：冰刀材料為鋼，彈性模量為 210Gpa，泊松比為0.3；冰的密度為 [10]，彈性模量為8.58Gpa[2]，泊松比為0.33[11]；擠塑板的密度為 ，彈性模量為 6.6Mpa，泊松比為 0.28；混凝土密度為，彈性模量為 30 Gpa，泊松比為 0.2。冰刀與冰層之間的摩擦設(shè)為滑動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)為 0.005[12]，冰層與擠塑板間采用摩擦罰接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為 0.1，冰層與混凝土層之間的摩擦設(shè)為切向罰接觸，摩擦系數(shù)為 0.1。對(duì)混凝土層底面四周施加固定約束，在冰刀上表面設(shè)置耦合作用點(diǎn)，在作用點(diǎn)上施加運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，運(yùn)動(dòng)員在滑行中，施加自重荷載外、加速度 12m/s2、以及速度11.28m/s（女性運(yùn)動(dòng)員的平均速度），定義的有限元模型如圖 1、圖 2 所示。

 

 

圖 1 裝配式冰場(chǎng)有限元模型                圖 2 傳統(tǒng)冰場(chǎng)有限元模型

 

Abauqs/Explicit 顯式求解器[13]適合模擬短暫、瞬時(shí)的冰刀蹬冰動(dòng)作，蹬冰過程中冰刀與冰層表面接觸時(shí)間較短，根據(jù)國家體育總局訓(xùn)練中心所做測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)置冰刀與冰面接觸時(shí)間為 0.0035s。

 

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

選取冰層厚度分別為 29.1mm、35mm、40mm、蹬冰角度逐漸傾斜至 25°工況，基于 Abaqus 軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)員在裝配式冰場(chǎng)模型與傳統(tǒng)冰場(chǎng)模型進(jìn)行研究，獲取各個(gè)工況的豎向反力與側(cè)向反力。

 

當(dāng)冰層厚度為 29.1mm，傾斜角度分別為 0°、15°和 25°時(shí)，仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖 3-8 所示：

 

 

圖 3 裝配式冰場(chǎng)冰刀直立滑行應(yīng)力云圖

 

 

圖 4 傳統(tǒng)冰場(chǎng)冰刀直立滑行應(yīng)力云圖

 

 

圖 5 裝配式冰場(chǎng)冰刀傾斜 15°滑行應(yīng)力云圖

 

 

圖 6 傳統(tǒng)冰場(chǎng)冰刀傾斜 15°滑行應(yīng)力云圖

 

 

圖 7 裝配式冰場(chǎng)冰刀傾斜 25°滑行應(yīng)力云圖

 

 

圖 8 傳統(tǒng)冰場(chǎng)冰刀傾斜 25°滑行應(yīng)力云圖

 

由圖 3、圖 5、圖 7 可知：裝配式冰場(chǎng)不同角度蹬冰產(chǎn)生的應(yīng)力值在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)；由圖 4、圖 6、圖 8 可知：冰層厚度固定不變時(shí)，隨著冰刀傾斜角度的增加，應(yīng)力值逐漸變小，且變小速度逐漸變慢。

 

側(cè)向力與運(yùn)動(dòng)員前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力更為相關(guān)，選取傾斜 5°、10°、15°、20°、25°時(shí)裝配式冰場(chǎng)和傳統(tǒng)冰場(chǎng)的分析結(jié)果，如圖 9-圖 18 所示。

 

 

圖 9 裝配式冰場(chǎng)冰刀傾斜 5°滑行側(cè)向反力

 

 

圖 10 傳統(tǒng)冰場(chǎng)冰刀傾斜 5°滑行側(cè)向反力

 

由圖 9 和圖 10 可知：當(dāng)?shù)疟嵌葹?5°時(shí)，29.1mm 厚冰層對(duì)應(yīng)的側(cè)向反力均值最大，35mm 和 40mm 厚冰層的側(cè)向反力均值曲線基本重合。

 

 

圖 11 裝配式冰場(chǎng)冰刀傾斜 10°滑行側(cè)向反力

 

 

圖 12 裝配式冰刀傾斜 15°滑行側(cè)向反力

 

 

圖 13 裝配式冰場(chǎng)冰刀傾斜 20°滑行側(cè)向反力

 

 

圖 14 裝配式冰場(chǎng)冰刀傾斜 25°滑行側(cè)向反力

 

由圖 11-14 可知：不同冰層厚度的裝配式冰場(chǎng)模擬的側(cè)向反力均值曲線隨著冰刀傾斜角度的增加，曲線逐漸重合；當(dāng)冰刀傾斜 25°時(shí)；40mm、35mm 和29.1mm 厚冰層對(duì)應(yīng)的側(cè)向反力均值分別為 237.59N、229.85N、229.13N，后兩者的側(cè)向反力均值接近，意味著當(dāng)冰層厚度超過 35mm 時(shí)，即使厚度值增加，側(cè)向力值增加很小。

 

 

圖 15 傳統(tǒng)冰場(chǎng)冰刀傾斜 10°滑行側(cè)向反力

 

 

圖 16 傳統(tǒng)冰場(chǎng)冰刀傾斜 15°滑行側(cè)向反力

 

 

圖 17 傳統(tǒng)冰場(chǎng)冰刀傾斜 20°滑行側(cè)向反力

 

 

圖 18 傳統(tǒng)冰場(chǎng)冰刀傾斜 25°滑行側(cè)向反力

 

由圖 15-圖 18 可知：對(duì)于傳統(tǒng)冰場(chǎng)模型，分析的前半段，冰層厚度越大，側(cè)向反力均值越小，分析的后半段，冰層厚度越大側(cè)向反力均值越大，且隨著冰刀傾斜角度的增加，側(cè)向反力均值變化的規(guī)律與分析前半段的規(guī)律相同。

 

4 結(jié)語

短刀速滑冰場(chǎng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)工作，不僅與運(yùn)動(dòng)員速滑成績(jī)密切相關(guān)，更與能源消耗相關(guān)。本文通過對(duì)裝配式冰場(chǎng)、傳統(tǒng)冰場(chǎng)的有限元模型，分析不同冰層厚度、不同蹬冰角度等工況的研究工作，得出下列結(jié)論：

（1）短道速滑裝配式冰場(chǎng)在直道滑行區(qū)冰層應(yīng)較薄，彎道加速區(qū)冰層厚度對(duì)側(cè)向反力均值影響較小，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，彎道加速區(qū)冰層厚度不宜過厚；

（2）短道速滑傳統(tǒng)冰場(chǎng)彎道加速區(qū)域冰層應(yīng)略厚于直道滑行區(qū)，以提供較大側(cè)向驅(qū)動(dòng)力；

（3）當(dāng)冰層厚度超過 35mm 時(shí)，增加冰層厚度對(duì)驅(qū)動(dòng)力的增加影響較小，建議冰層厚度取 35mm 左右較合適。

 

資料來源：達(dá)索官方