羽毛球拍网面的力学仿真分析

严舒芯 程磊 林青

摘  要：羽毛球拍网面作为球拍的重要组成部分，其性能直接影响击球的效果。该文利用SolidWorks软件进行羽毛球拍网面的建模，并应用ANSYS WorkBench软件对其进行了模态分析和结构静力学分析，从而为进一步对网拍类球拍网面的研究提供了一种有效方法，并为专业运动员和业余选手了解拍面性能，发挥球拍的最佳效果提供了一定的理论依据。

关键词：三维建模  有限元  仿真分析

中图分类号：O343.5    文献标识码：A             文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0175-03

Abstract： The badminton racket net surface is an important part of the racket， and its performance directly affects the effect of hitting the ball. In this paper， the SolidWorks software is used to model the badminton racket mesh surface， and the modal analysis and structural static analysis are performed by ANSYS WorkBench software， which provides an effective method for further research on the web surface of net rackets . Moreover， the paper provides a theoretical basis for the best results of the racket for professional athletes and amateurs to understand the performance of the racket face.

Key Words： 3D modeling; Finite element; Simulation analysis

随着人民生活水平不断提高，体育活动越来越受到人们的青睐，尤其羽毛球运动普及较广，成为老少皆宜的运动形式。出于对羽毛球运动的喜爱，人们对羽毛球球拍的选择越来越重视，而对于职业运动员或业余选手来说，器材装备的质量和性能是其夺取比赛优胜的重要保障，因此对体育器材的研究也越来越广泛和深入。以羽毛球拍为例， 在球拍的研发过程中， 不仅需要综合考虑球拍的重量、平衡、硬度、弹性等重要因素[1]，尤其需要研究球拍网面的性能。该文运用有限元分析方法对羽毛球拍网面的性能进行仿真分析，以期为专业运动员了解拍面性能，发挥球拍的最佳效果以提高运动成绩提供理论依据。

1  有限元法及有限元分析软件

1.1 有限元法

有限元法是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，通过简单而又相互作用的有限数量的单元，去逼近无限未知量的真实系统。由于很多实际问题难以得到理论解，而有限元法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为有效的工程分析手段。有限元法的求解过程，如图1所示。

网面在击球时，因为接触时间短，我们无法以肉眼看到网面自由振动的振型以及受力后网面变形量的大小。该文利用有限元法，通过有限元分析软件ANSYS中的WorkBench对网面进行模态和静力结构的仿真分析。

1.2 有限元分析软件ANSYS简介

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析（FEA）软件，其在机械、航空、土木、电子等领域被广泛使用[2]。软件由前处理、分析计算和后处理三部分组成，具体流程如图2所示。ANSYS中的WorkBench是一種仿真平台模块，可以进行结构静态分析、模态分析、热分析、转子动力学分析等。该文针对羽毛球拍网面进行模态分析和结构静态分析。

2  羽毛球拍网面模态分析

模态分析是动力学分析中最为基础的一种，用于确定机械零部件的振动特性，包括结构的固有频率和振型，它们是结构承受动态载荷设计中的重要参数。该文应用ANSYS的模态分析功能，对有预应力的网面振动进行模态分析。

由于在对自由振动的系统求解固有频率和振型时，阻尼的影响比较迟缓即可忽略不计，所以该文中用ANSYS在进行计算分析时选择无阻尼模态分析。另外实际的分析对象是无限维的，所以其模态具有无穷阶，但是对于运动起主导作用的只是前面的几阶模态。

2.1 前处理

（1）创建分析项目。

ANSYS WorkBench的工具箱中有多个分析项目。该文用了静力结构分析和模态分析两个项目，分别将两个项目的工程数据、几何模型、模型模块连接，以及将静力结构分析中的解决方案模块与模态分析中的设置模块相连接，项目概图如图3所示。

（2）建立网面三维模型。

由于在ANSYS WorkBench中可以直接导入SolidWorks的三维图，所以该文使用SolidWorks工程设计软件建模[3]，拍面尺寸通过实测获得。根据羽毛球拍网面穿线特征，横纵两向交错穿过，所以每根线都是由多段直线和圆弧构成。该文通过实测得到每段直线距离和相邻两根线的距离，通过已知的线径、相邻两线距离和圆内弦的垂直平分线过圆心三个条件找到圆弧的圆心，从而得到圆弧半径并绘制出二维草图。最后通过SolidWorks 三维建模中的扫描、阵列、拉伸、裁剪等特征功能完成网面的建模（图4）。