中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在競(jìng)技體育領(lǐng)域，速度滑冰作為冬季奧運(yùn)會(huì)的重要競(jìng)技項(xiàng)目，其比賽成績(jī)的提升不僅依賴(lài)運(yùn)動(dòng)員的專(zhuān)業(yè)技能與體能水平，滑冰鞋的性能也發(fā)揮著關(guān)鍵作用?；沁\(yùn)動(dòng)員與冰面接觸的唯一介質(zhì)，而冰刀作為滑冰鞋的核心結(jié)構(gòu)，直接影響著運(yùn)動(dòng)員滑行時(shí)的動(dòng)力產(chǎn)生與滑行穩(wěn)定性，因此對(duì)滑冰鞋冰刀的技術(shù)研究成為推動(dòng)速度滑冰項(xiàng)目發(fā)展及冰雪產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的重要方向。近年來(lái)，通過(guò)生物力學(xué)手段探究滑冰鞋冰刀材料特性對(duì)其力學(xué)性能的影響，為滑冰鞋冰刀的研發(fā)與改進(jìn)提供了科學(xué)依據(jù)，助力提升運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技表現(xiàn)。以下是2025年滑冰鞋行業(yè)技術(shù)分析。

  一、滑冰鞋冰刀硬度研究的目的：為冰刀材料研制提供生物力學(xué)參考

  長(zhǎng)距離速度滑冰運(yùn)動(dòng)屬于冬季奧運(yùn)會(huì)競(jìng)技項(xiàng)目，滑冰鞋在運(yùn)動(dòng)員滑行過(guò)程中意義重大，其結(jié)構(gòu)主要由鞋體、刀托和冰刀三部分組成，其中冰刀是滑冰鞋的核心結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)員與冰面相互作用產(chǎn)生向前滑行的動(dòng)力都依賴(lài)于冰刀，所以冰刀是影響速度滑冰比賽成績(jī)最重要的裝備?；诖?，相關(guān)研究借助有限元法構(gòu)建速滑鞋足有限元耦合模型，將冠軍運(yùn)動(dòng)員的平均蹬冰角度作為模型加載條件，以此模擬速度滑冰直道蹬冰動(dòng)作。研究旨在探究不同冰刀材料對(duì)冰刀底的力學(xué)影響，分析不同材料下冰刀底應(yīng)力、冰刀底應(yīng)變以及應(yīng)力應(yīng)變分布的變化，最終為冰刀材料的研制和改進(jìn)提供生物力學(xué)參考，助力運(yùn)動(dòng)員提升成績(jī)，同時(shí)為進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)產(chǎn)冰刀研發(fā)、促進(jìn)我國(guó)冰雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供支持。

  二、滑冰鞋冰刀硬度研究的方法：多技術(shù)結(jié)合構(gòu)建耦合模型并設(shè)定參數(shù)

  在研究過(guò)程中，首先通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)員比賽畫(huà)面來(lái)獲取關(guān)鍵動(dòng)作數(shù)據(jù)。具體設(shè)置 4 臺(tái)高清晰度攝像機(jī)，均分為兩組放置在跑道前方與側(cè)方，且每組 2 臺(tái)攝像機(jī)主光軸夾角約為 100°。利用這些攝像機(jī)對(duì) 2019-2020 全國(guó)速度滑冰冠軍賽男子 500m 比賽第一圈的直道滑行動(dòng)作進(jìn)行三維拍攝，拍攝結(jié)束后選取成績(jī)?yōu)榈谝幻倪\(yùn)動(dòng)員視頻進(jìn)行視頻解析，使用人體運(yùn)動(dòng)自動(dòng)捕捉人工智能系統(tǒng)對(duì)拍攝視頻進(jìn)行處理，獲得冠軍運(yùn)動(dòng)員的平均蹬冰角度，將其作為模型加載條件。

  隨后，招募 1 名 25 歲男性運(yùn)動(dòng)員(體重 64kg，鞋碼 42，近半年無(wú)足部病史和手術(shù)史，影像學(xué)檢查足踝部形態(tài)結(jié)構(gòu)正常)，使用計(jì)算機(jī)斷層掃描儀獲取其右足無(wú)負(fù)重中立位時(shí)的影像學(xué)數(shù)據(jù)，同時(shí)使用三維激光掃描儀獲取滑冰鞋的鞋幫、刀托和冰刀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(所用速滑鞋為國(guó)內(nèi)高端速滑鞋)。接著，運(yùn)用多種軟件進(jìn)行模型構(gòu)建與裝配：使用相關(guān)軟件重建足部三維模型，進(jìn)行曲面縫合完成各部分實(shí)體模型的裝配，建立軟骨，擬合精確的 NURBS 曲面，最終將足部骨骼、軟組織、軟骨、鞋幫、刀托和冰刀裝配形成耦合模型。

  在模型構(gòu)建過(guò)程中，還根據(jù)足部解剖結(jié)構(gòu)特征，建立五根足底筋膜與足部其他韌帶，筋膜選用 LINK 180 單元，韌帶使用彈簧單元;建立地面和冰面(尺寸為 60cm30cm10cm)和 EVA 軟墊(尺寸為 60cm30cm0.2cm)。同時(shí)，依據(jù)滑冰鞋各結(jié)構(gòu)間的真實(shí)連接模式，將鞋幫內(nèi)襯與鞋幫、鞋幫與刀托、刀托與冰刀之間分別設(shè)置為綁定接觸;根據(jù)足內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解剖關(guān)系并參考已有文獻(xiàn)，將骨骼與軟骨、骨骼與軟組織設(shè)置為無(wú)摩擦接觸，將筋膜與骨骼、韌帶與骨骼設(shè)置為綁定接觸;將足部軟組織與鞋幫內(nèi)襯接觸設(shè)置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為 0.6。此外，將骨骼、韌帶等設(shè)為線彈性、均質(zhì)和各向同性的材料，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特征和材料屬性特性，將單元類(lèi)型定義為 SOLID187 實(shí)體結(jié)構(gòu)單元。參考前人研究設(shè)定足部骨骼、軟骨、軟組織、筋膜及韌帶的材料屬性，滑冰鞋各結(jié)構(gòu)及冰面的材料屬性由相關(guān)廠家提供。最終構(gòu)建的模型包含 30 塊骨骼、29 個(gè)軟骨、109 根韌帶、5 根足底筋膜、1 個(gè)包裹足的軟組織、1 個(gè)鞋幫、1 個(gè)鞋幫內(nèi)襯、1 個(gè)刀托和 1 個(gè)冰刀，模型共包括 1310568 個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)和 842670 個(gè)四面體單元數(shù)。

  有限元方法建立速滑鞋 - 足耦合模型后，設(shè)定模型加載和約束條件：約束脛腓骨遠(yuǎn)端骨骼及軟組織，約束冰面前后左右方向位移，向上位移冰面使地面反作用力為 640N(即 1 倍體重)，加載跟腱力為 480N(因?yàn)榈疟^(guò)程中跟腱力約為體重的 75%，64kg 體重對(duì)應(yīng)的 75% 即為 480N)。同時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外高端冰刀硬度 HRC60-65 參數(shù)以及冰刀廠家建議，選取 3 種冰刀材料參數(shù)，采用對(duì)比分析方法研究不同楊氏模量冰刀對(duì)冰刀底應(yīng)力應(yīng)變的影響。

  三、滑冰鞋冰刀硬度研究的結(jié)果：冰刀楊氏模量影響應(yīng)力應(yīng)變及分布

  通過(guò)視頻拍攝法獲取到第一名運(yùn)動(dòng)員直道階段蹬冰時(shí)的蹬冰角度，其范圍為 42°-70°，平均值為 56°，因此研究選取 56° 作為直道蹬冰動(dòng)作的蹬冰角度，用于分析不同冰刀楊氏模量下冰刀應(yīng)力應(yīng)變情況。

  《2025-2030年中國(guó)滑冰鞋行業(yè)市場(chǎng)深度研究及發(fā)展前景投資可行性分析報(bào)告》指出，在速滑運(yùn)動(dòng)直道蹬冰動(dòng)作(蹬冰角度 56°)下，當(dāng)冰刀材料發(fā)生變化時(shí)，冰刀的楊氏模量逐漸增大，冰刀的應(yīng)力和應(yīng)變均會(huì)產(chǎn)生變化，但變化趨勢(shì)不同。從材料 1 到材料 3，隨著楊氏模量增大，冰刀硬度也隨之增大，此時(shí)冰刀底所受的應(yīng)力分別為 44.719MPa、45.585MPa 和 46.433MPa，呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，在材料 3 時(shí)達(dá)到最大值;而冰刀底應(yīng)變隨著楊氏模量增大，數(shù)值分別為 0.000224、0.000217 和 0.000211，呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，在材料 3 時(shí)達(dá)到最小值，并且應(yīng)力和應(yīng)變的變化都表現(xiàn)出接近穩(wěn)定的線性變化特征。

  此外，無(wú)論使用哪種材料，冰刀應(yīng)力應(yīng)變分布都會(huì)隨著冰刀材料變化而變化，且不同材料下冰刀應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律一致，均主要集中在冰刀的中后部、刀托和刀連接的下方。

  四、滑冰鞋冰刀硬度研究的結(jié)論：高楊氏模量材料利于提升滑冰成績(jī)

  研究表明，冰刀的楊氏模量對(duì)冰刀應(yīng)力應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生一定影響，當(dāng)冰刀楊氏模量增加時(shí)，冰刀的應(yīng)力會(huì)增大，應(yīng)變會(huì)減小，這意味著冰刀硬度增加后，其變形會(huì)下降，這種特性有利于冰刀與冰面的相互摩擦，能使冰刀獲得較好的抓冰力，進(jìn)而幫助運(yùn)動(dòng)員提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。因此，在滑冰鞋行業(yè)冰刀的研發(fā)過(guò)程中，科研人員可以考慮在結(jié)合冰刀材料其他指標(biāo)的基礎(chǔ)上，選擇楊氏模量較大的材料，這樣既能增大冰刀硬度，又能減少冰刀形變，從而進(jìn)一步助力運(yùn)動(dòng)員提升滑冰成績(jī)，為滑冰鞋冰刀的技術(shù)升級(jí)與性能優(yōu)化提供明確方向。

  全篇總結(jié)

  本次關(guān)于滑冰鞋冰刀硬度的研究，圍繞冰刀對(duì)速滑成績(jī)的關(guān)鍵影響展開(kāi)，通過(guò)多步驟、多技術(shù)結(jié)合的方法構(gòu)建速滑鞋足有限元耦合模型，并設(shè)定科學(xué)合理的參數(shù)與加載條件，深入分析了不同楊氏模量(對(duì)應(yīng)不同硬度)冰刀在直道蹬冰動(dòng)作下的應(yīng)力應(yīng)變情況。研究獲取了詳實(shí)的數(shù)據(jù)，明確了冰刀楊氏模量與應(yīng)力、應(yīng)變之間的變化關(guān)系(楊氏模量增大，應(yīng)力增大、應(yīng)變減小)以及應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，最終得出選擇高楊氏模量材料有助于提升冰刀性能與運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的結(jié)論。這些研究成果不僅為滑冰鞋行業(yè)冰刀材料的研制與改進(jìn)提供了重要的生物力學(xué)參考，也為國(guó)產(chǎn)冰刀的研發(fā)與冰雪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了科學(xué)動(dòng)力，對(duì)推動(dòng)速度滑冰項(xiàng)目的技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

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