有限元分析与体育运动技术的结合

　　1、 引言

　　图像分析软件的出现，使人体运动技术的分析进一步深化，效果也更加直观全面。例如在参加 2008 年北京奥运会的美国运动员，其中77 块奖牌获得者采用过图像软件进行技术分析来计算运动技术的速度、角度、高度、长度的数据，生成数据表，对变化的数据量进行跟踪和计算，并以通用的数据表格式显示和输出或制作成视频文件和技术照片，帮助教练员观察和分析运动员的运动技术特征。

　　以模拟化的思维来分析运动的意义可以体现在对不同运动员之间的技术细节的比较。对于相同项目的不同运动员，都是存在着各自的技术特点，特别是一些优秀运动员，可以将其技术细节作为研究对象独立出来分析，通过比较整体的运动技术研究获得更清晰的认识。并且通过模拟手段可以得到运动员最高运动水平数据，这是在真实条件下通过实验手段来对运动员的运动技术做测试评价时很难达到的，或者说可以获得比真实运动条件下进行对运动员的测试更广泛更真实的数据。

　　2、 讨论与分析

　　2． 1 有限元分析对于体育运动技术模拟的可行性分析

　　2． 1． 1 有限元分析的理论基础

　　1965 年“有限元”这个名词第一次出现并在工程领域应用，经历了四十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善，这也就使之应用于复杂的人体运动的分析成为可能。目前有限元分析算法已经应用到体育领域中，有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题，这也就意味着有限元分析的算法可以对任意复杂的物体来进行各种力学分析。

　　有限元分析的算法是一种利用数学手段解决物理问题的算法，而人体运动时所产生实际效果和效果影响的也都是各种物理学因素，本质上讲对于运动技术的分析过程就是对于复杂运动条件下的各种复杂物理量的求解，在这方面也说明了有限元分析算法在运动技术的研究领域的可应用性。实际应用中基本都是依托于计算机的软件来实现诸多计算功能的，所以在实际应用中并不需要人为去处理繁琐的数据和运算过程，只需要利用软件设置相应的参数就可以获得实验的数据。这样就将有限元分析的程序与体育运动技术的分析相结合从而模拟出想要的数据。

　　2． 1． 2 有限元分析算法对模拟人体运动技术的意义

　　体育运动技术是一个复杂的动作集合，有限元算法进行模拟运动过程，可以分解运动技术的各个组成元素，对于每个不同的运动技术有限元分析都有对应的算法来进行计算。人体不仅是一个复杂表面的个体，而且人体具有复杂的组织结构，各个组织部分在各种物理学指标方面都存在差异，有着不同的密度和受力的形变量，在对人体运动进行物理学因素分析时，这些差异都将影响到最后的分析结果。如果对人体进行完整的仿真模拟，就需要告诉计算机是对一个什么样的物体进行模拟分析，这时就需要根据研究目的，对不同的研究对象进行图形定义，绘制所要研究运动技术的几何图形。一个结构体的外形，有了正确的定义，才能够对其进行一维、二维及三维的分析，为真正人体运动提供可靠的理论依据。

　　有限元分析本身是作为一种纯数学的分析方法，本身在执行对事物的物理学分析的时候有着大量的运算过程。电脑技术的发展为有限元技术的应用提供了一个良好的契机，以有限元分析方法为内核的电脑软件，使有限元方法的大量计算过程转到幕后，将更多的实际效果展现在眼前，从而可以实现对于复杂条件下体育运动技术的辅助模拟和分析过程。

　　3、 有限元分析与体育运动技术的结合

　　有限元分析作为一种实用的分析方法，其本身的特性使之有条件应用于体育运动技术的分析中来，并且可是使研究对于运动技术更加深化。

　　3． 1 有限元分析与体育运动结构

　　体育运动技术可以剖分为若干组成元素，对其每种元素细化，最终可以根据不同的细化目的，归结为一维的运动形式，二维的运动形式，三维的等等，或者也可以剖分为物理学因素，生物学因素，化学因素等等。有限元分析的方法作为一个物理学方向的研究分析方法，显然是可以和运动技术研究方向的某一方面相对应的，可以作为一个研究手段的拓展，并且有限元分析有着极强的通用性，能够进行各种结构静止的或者连续的受力变化、流体力学的分析、热场乃至速度和电磁场的变化。

　　这都是运动技术研究以往所没有涉及的，有限元分析不仅可以实现对于运动技术中各种物理学环节的分析计算，还可以分析运动中热能的变化和空气动力流体变化。因此从体育运动结构上讲，有限元分析与体育运动技术有诸多的可结合点，并且可以深化和拓展传统的研究领域。

　　3． 2 有限元分析与运动技术模拟

　　作为运动分析的首要因素，有限元分析需要利用软件将运动形式真实的在电脑上呈现，从运动技术再现这个角度来说，结合上面所提到的有限元分析电脑执行结构中，涉及两个层面的问题，一是运动形状的描述，二是人体材料的定义。通过有限元分析运动形状的描述是由电脑来生成的，在实际使用中都是在 CAD 软件中来进行分析对象的外形描述，然后将 CAD 实体模型导入 CAE 软件中。CAD 软件中流行的实体建模包括基于特征的参数化建模和空间自由曲面混合造型两种方法。Pro/E 和 SoildWorks 是特征参数化造型的代表，而 CATIA 与 Unigraphics 则将特征参数化和空间自由曲面混合造型有机的结合起来。所以从有限元分析软件对于运动形态描述的角度来看，在运动形状的描述方面，有限元分析的实践过程不存在任何问题。

　　对于人体材料本身的定义在有限元分析中是很重要的一点，因为不同的人体材料拥有不同的受力特性，对于材料的定义不同也会影响到最后实现的分析结果的差异，所以在分析的开始输入正确的材料定义，是真实模拟运动条件的重要一环。作为运动主体的人体并不是一个均匀密度的个体，所以需要有限元分析软件在模拟应力变化的过程中输入正确密度数据，这样才能真实模拟运动技术。

　　3． 2． 1 有限元分析软件的运动形状描述

　　对于有限元分析方法来讲，其本身可以用于任何复杂的几何形状，所以从运动形状的描述上来说，本身不存在任何的技术问题，在实际应用中就是根据实际的研究需要和研究的内容来对运动技术的行为进行边界界定和不同用途的网格划分。

　　从电脑的角度来讲，运动形状的描述主要还是由电脑来进行生成，因为现有电脑辅助设计 CAD 软件对表面形态的表示法已经大大超过了作为分析职能存在的 CAE 软件。因此，在实际使用中一般都是在 CAD 软件中来进行分析对象的外形描述，然后将 CAD 实体模型导入 CAE 软件中。CAD 软件中流行的实体建模包括基于特征的参数化建模和空间自由曲面混合造型两种方法。Pro/E 和 SoildWorks 是特征参数化造型的代表，而 CATIA 与 Unigraphics 则将特征参数化和空间自由曲面混合造型有机的结合起来。

　　所以从有限元分析软件对于运动形态描述的角度来看(见图) ，在运动形状的描述方面，有限元分析的实践过程不存在任何问题。

　　3． 2． 2 有限元分析运动实例分析

　　在运动过程中，对一个实际运动技术进行有限元分析时，表示已经确定了隐含的控制微分方程，通过软件分析由计算机来完成，并不需要人为的再进行干预。在实际的分析过程中首先是需要明确分析任务，明确需要通过分析研究对象来获得什么样的数据和目的，根据实际需要来模拟运动模型，如果是分析一个一维的平面应力变化，就没有必要去建立一个三维的力学模型，根据实际的研究目的来获取实际研究对象的几何形状和运动参数，模拟出最适合的力学模型。

　　其次根据模拟出的力学模型，来利用 CAD 软件或其它方法制作有限元分析模型。将有限元模型导入有限元分析软件，来界定边界条件和其它各类函数以获取分析数据。

　　3． 3 应用有限元分析实现运动技术模拟

　　3． 3． 1 数据的采集和录入

　　有限元分析软件在对运动技术进行分析时，可以通过各种测量手段来获取所需要研究运动技术对象的原始数据，然后软件根据测量的数据建模来对运动技术进行仿真，建立模型根据实际研究的目的在虚拟的设定条件下进行分析。

　　3． 3． 2 分析的内容

　　有限元分析方法是在电脑中对运动技术进行仿真，可以将其理解为一个可以任意设定实验条件的运动技术分析过程，它除了可以进行运动轨迹的分析外还更加善于计算力学因素在运动技术中的作用和变化，并且还可以拓展到一切物理学因素条件的计算，例如风阻、温度等条件对运动技术的影响。

　　3． 3． 3 计算结果的表示

　　由于有限元分析软件是一种对仿真建模进行分析的软件，可以直接导出对于仿真模型在设定条件下的计算数据，或是在仿真模型上对如力学变化等物理学因素的变化用不同颜色来标注其变化过程。

　　4、 结论

　　1． 有限元分析对于运动技术的辅助设计与分析，可以从很多个角度来进行。有限元分析电脑的模拟技术凭借其良好的可拓展性还在不断的延伸。很多行业对于流体作用的需要，使得有限元电脑模拟流体的软件也得到了很大的改善。这些都表明有限元分析和体育运动本身有着广泛的可结合的基础。

　　2． 有限元分析软件有着广泛的适用性，从实践角度，可以全面了解运动技术的可量化因素，而且这些量化的指标是在操作物理实验中所无法获得的。并且这些数据不仅仅是应用在运动技术中，对于运动伤病的了解和治疗也都有所帮助。

　　3． 有限元分析将更加广泛的应用于体育运动技术领域，从现有的技术手段和理论已经可以推动运动技术的进一步发展。

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