1、冰場設(shè)計與運發(fā)動蹬冰反力數(shù)據(jù)的關(guān)系摘要:隨著國家對冰雪運動的逐漸重視，國內(nèi)冰場建設(shè)也需要投入更多精力。不 同的冰場條件影響著運發(fā)動的成績，在冰場建設(shè)中，利用運發(fā)動的成績來探討 冰場建設(shè)十分可行。基于ABAUQS軟件建立裝配式冰場和傳統(tǒng)冰場的有限元 模型，來模擬蹬冰過程中冰刀與冰面的復(fù)雜接觸關(guān)系，在不同厚度的冰層下， 獲取運發(fā)動蹬冰反力數(shù)據(jù)并進行分析，研究成果為冰場建設(shè)提供技術(shù)支持。關(guān)鍵詞:短道速滑;冰場建設(shè);蹬冰反力;有限元分析;計算機仿真影響短道速滑運發(fā)動成績的因素十分復(fù)雜，而蹬冰反力是運發(fā)動前進的動力來 源，因此，本文在不同冰場模型下模擬蹬冰狀態(tài)，分析不同冰層厚度下不同的 蹬冰反力結(jié)果。目

2、前，運動冰場通常采用澆筑防凍抗?jié)B混凝土作為基礎(chǔ)，按照 人工冰場形式的不同，分為裝配式冰場和傳統(tǒng)冰場1 。2種冰場的區(qū)別在于 裝配式冰場的冰層下方是擠塑板，擠塑板的下方是混凝土層，而傳統(tǒng)冰場的冰 層下方直接鋪設(shè)混凝土層。目前，業(yè)界借助計算機仿真技術(shù)分析不同冰場冰層 的厚度對運發(fā)動蹬冰反力的影響鮮少涉及。鑒于此，本文基于Abaqus/CAE仿 真軟件，建立裝配式冰場和傳統(tǒng)冰場2種有限元模型,討論冰層厚度對短道速 滑運發(fā)動蹬冰反力的影響，通過分析不同蹬冰反力結(jié)果對冰場設(shè)計提供一些指 導(dǎo)。1國內(nèi)外研究迸展近年來，國內(nèi)外的專家學(xué)者對人工冰場外部條件及制冷方法進行了分析，旨在 降低冰場的能源消耗，提升冰場

3、的能源利用率，從節(jié)約冰場能源的角度對冰場 建設(shè)提出一系列措施。Stubert等2 提出運用合理建造冰場建筑的方法來降 低能源需求，從而改善冰場的可持續(xù)性特征。王派等3分析了直冷式和間冷 式制冷的優(yōu)缺點，介紹了 C02跨（亞）臨界直接蒸發(fā)式人工冰場的關(guān)鍵技術(shù)和主 要性能，表達了很好的節(jié)能效果。冰層厚度與制冷系統(tǒng)的運行能耗緊密相關(guān)， 劉維等4比照了國外在室內(nèi)溫濕度、新風(fēng)量設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的異同,給出了針對冰 場建筑在空調(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，提出了合 理的冰場溫度、冰層設(shè)計厚度等設(shè)計參數(shù)。在科技冬奧的影響下，仿真冰 場的分析模擬得到大力推廣，劉秀平等5 針對仿真冰場制定了相應(yīng)的國

4、家標(biāo) 準(zhǔn)，為仿真冰場建設(shè)提供更嚴謹?shù)募夹g(shù)和監(jiān)管依據(jù)。2短道速滑蹬冰反力測算方法本文基于ABAQUS軟件6 建立了冰刀、冰層及混凝土層的三維冰場有限元 模型，分析過程中，考慮冰刀從直立狀態(tài)沿冰刀前進方向沿順時針逐漸傾斜的 過程,每次傾斜5。直至冰刀傾斜至25。冰層厚度分別為29 . 1mm、35m m、40mm ,裝配式冰場中擠塑板厚度為30mm，傳統(tǒng)冰場中混凝土層厚度為 100mm 1 0其他模型參數(shù)為:冰刀的長度、寬度和厚度的尺寸分別為430m m、24mm和1 . 2mm，倒圓角半徑為24mm;冰面模型的長度、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行裝配，

5、形成 完整的傳統(tǒng)冰場有限元模型。建模過程中，冰刀前進方向為x軸，與x軸垂直 且沿著刀身向外方向為y軸，垂直冰刀刀身方向為z軸。冰刀、冰及混凝土的 材料參數(shù)設(shè)置為7 :冰刀材料為鋼，彈性模量為210Gpa ,泊松比為0 . 3;冰 的密度為920kg/m-38,彈性模量為8 . 58Gpa ,泊松比為0 . 33 9 ; 擠塑板的密度為30kg/m - 3 ,彈性模量為6 . 6Mpa ,泊松比為0.28混凝土 密度為2500kg/m - 3 ,彈性模量為30Gpa ,泊松比為0 . 2。冰刀與冰層之間 的摩擦設(shè)為滑動摩擦，摩擦系數(shù)為0.005 10 ；冰層與擠塑板間采用摩擦罰接 觸，摩擦系數(shù)設(shè)

6、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。對混凝土層底面四周施加固定約束，在冰刀上外表設(shè)置耦合作用 點，在作用點上施加運發(fā)動的運動參數(shù)，運發(fā)動在滑行中，施加自重荷載外， 加速度為12m/s2 ,速度為11 . 28m/s（女性運發(fā)動的平均速度），定義的有限 元模型如圖L圖2所示。ABAUQS/Explicit顯式求解器11適合模擬短 暫、瞬時的冰刀蹬冰動作，蹬冰過程中冰刀與冰層外表接觸時間較短，根據(jù)國 家體育總局訓(xùn)練中心所做測試數(shù)據(jù)，設(shè)置冰刀與冰面接觸時間為0 . 0035s。3試驗結(jié)果分析選取冰層厚度分別為29 . 1mm、35mm、40mm以及蹬冰角度逐漸

7、傾斜至2 5。的工況，基于Abaqus軟件對運發(fā)動在裝配式冰場模型與傳統(tǒng)冰場模型進行 研究，獲取各個工況的豎向反力與側(cè)向反力。側(cè)向力與運發(fā)動前進的驅(qū)動力更 為相關(guān)，選取傾斜5。、15。、25。時裝配式冰場和傳統(tǒng)冰場的分析結(jié)果，如圖 3 8所示。由圖3和圖4可知，當(dāng)?shù)疟嵌葹?。時，29 . 1mm厚冰層對應(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。由圖5、圖6可知，不同冰層厚度的裝配式冰場模擬的側(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，且冰層越厚，初始時間附近的側(cè)向 反力均值越小;當(dāng)冰刀傾斜25。時;40mm、35mm和29 . 1mm厚冰層對應(yīng)

8、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，即使厚度值增加，側(cè)向力值增加 也偏小。由圖7、圖8可知，對于傳統(tǒng)冰場模型，在冰刀傾斜15。時，分析步 時間的前半段，冰層厚度35mm時，側(cè)向反力均值最大，分析步時間的后半 段，冰層厚度越大側(cè)向反力均值增加逐漸加快;隨著冰刀傾斜角度的增加，當(dāng)冰 刀傾斜至25。時,分析步時間前半段，冰層越厚側(cè)向反力均值越小，隨著分析 步時間的增加，由圖8可知，3條曲線逐漸重合，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)論短道速滑冰場的設(shè)計、建設(shè)工作，不僅與運發(fā)動速滑成績密切相關(guān)，更與能源 消耗相關(guān)。本文針對裝配式冰場、傳統(tǒng)冰場建立有限元模型，分析不同冰層厚 度、不同蹬冰角度等工況，得出以下結(jié)論。）短道速滑裝配式冰場在直道滑行區(qū) 冰層應(yīng)較薄，彎道加速