跳台滑雪赛道助滑道结构作为人工剖面赛道,其以预先精确设定的几何剖面形状来控制赛道完成面。目前,助滑道冰面的铺设、检验过程靠国外专家经验确定,核心技术由国外少数公司掌控,国内外鲜见相关研究报道。冰浆雪水配合比仍靠人工经验进行确定,助滑道冰面结构在比赛中会受到重复荷载,温度荷载等多种因素影响,导致冰面结构在使用过程中产生破坏,助滑道结构几何线型的变化也会导致运动员滑行过程中受力状态的改变。鉴于此,本文从冰浆雪水配合比、冰体力学性能研究、冰体损伤本构模型与破坏分析、助滑道结构几何线型研究等方面进行研究分析。首次对助滑道所用冰浆材料及三次幂函数动力学微分方程进行系统性研究与求解,相应成果可为冰浆现场施工提供参考,有利于减少冰面结构损伤并用于冰面结构修复,为北京冬季奥林匹克运动会跳台滑雪助滑道结构几何线型的应用提供理论支撑。本文主要研究内容包括以下四个方面。(1)冰浆试验配合比的确定。根据国际雪联专家经验,提出五种雪水配合比,通过对五种雪水配合比下的冰浆拌和状态、施工和易性、成型效果、表面粗糙度、内部孔隙分布及低加载速率力学性能试验等方面进行对比分析,在满足施工和易性条件下确定冰浆试验配合比为雪:水=60%:40%。为助滑道冰面现场施工提供借鉴。(2)基于单轴压缩试验与小梁弯曲试验的冰体力学性能研究。通过选定的冰浆试验配合比制备试件,进行单轴压缩试验与小梁弯曲试验。分析冰温与加载速率对冰体抗压强度与抗弯强度的影响;通过对冰温对冰体抗压强度的显著性影响分析,建立不同加载速率下冰温与抗压强度的数学模型;根据冰体单轴压缩试验数据,得到不同冰温与加载速率下冰体的弹性模量。结果表明:冰体抗压强度与抗弯强度在加载速率10 mm/min下最大,该加载速率可为助滑道切割机冰刀的下降速率进行相应的优化改进;随着加载速率的增大,抗压强度与抗弯强度呈现出先增大后减小的趋势;冰温对抗压强度有显著性影响。(3)冰体损伤本构模型及破坏机理研究。基于损伤力学理论,假设冰体材料各微元体强度服从Weibull分布,引入损伤变量并与幂强化力学模型相结合,构建冰体材料损伤本构模型。通过扩展有限元ABAQUS建立冰体力学模型,模拟冰体试件在单轴压缩与小梁弯曲试验下的破坏过程并对冰体损伤破坏中不同的破坏形式进行分析。结果表明:建立的损伤本构模型可以较为准确地刻画荷载作用下冰体的本构关系;扩展有限元法可以较为准确地模拟不同受力状态下冰体的开裂行为;冰试件在不同加载速率下呈现出膨胀型破坏、劈裂型破坏与碎裂型破坏,劈裂型破坏下抗压强度最大。(4)基于动力学的助滑道结构几何线型优化研究。基于原有建成的助滑道结构参数,对助滑道结构进行数学与几何线型分析,在考虑空气阻力与滑行摩擦力的情况下分段得到了运动员动力学微分方程,利用Mathematica进行求解。对环境因素与运动员自身体重对滑行速度的影响进行分析,并将运动员在圆弧与三次幂函数两种线型上的滑行速度与受到反作用力大小进行对比。结果表明:运动员在过渡段为圆弧与三次幂函数上的滑出速度差距很小,三次幂函数可避免助滑道结构产生的作用力瞬时增大,从而使运动员受到的反作用力缓慢增加。空气密度与环境温度对运动员滑行速度影响较小,而自身体重与滑行速度呈线性增加关系。