網球拍之震動模擬與最佳化設計

Abstract

網球運動為全球最受矚目的運動項目之一，除了運動員的技術之外，使用的器具也不斷革新。網球屬於持拍運動，必須透過球拍完成各種動作，即藉由球拍與球的碰撞將網球發送或反擊給對手。如何設計更好的球拍，使得擊球時能有更大的恢復係數（出射與入射速度量值比）為一重要課題。此外，擊球時的撞擊力道會傳遞至手臂，使持拍手產生不適甚至導致所謂網球肘之運動傷害，因此也需要減低持拍手震動幅度。本研究之目的即為考量增大擊球恢復係數與減小震動幅度，以模擬計算進行球拍之最佳化設計。為確認模擬結果之效度，首先進行實驗測試，以高速攝影機記錄固定拍頭之球拍，受到球撞擊後拍柄所產生之震幅，並以加速規紀錄拍柄震動時之加速度，再以尤拉白努力樑與彈簧結合的系統類比拍面建立模型並模擬。從實測碰撞震幅和加速度與模擬有近似的結果，可確認模型效度。之後再改變球拍模型的單位質量以及J值(EI，即楊氏係數與轉動慣量之乘積)分布，以最佳化運算設計能使拍面產生最小震幅以及最大恢復係數。根據本篇研究之結果，對於球拍設計有以下建議：當球拍總重在0 3kg±10%時，如欲使拍柄震幅最小，須讓越靠近拍柄位置有較高的J值以及靠近拍柄有較高的密度；若是較重視球拍的威力(恢復係數)，則使拍頭有較高的密度，並在球拍首尾兩端有較高的J值為較好之設計。此外，雖然較重的球拍有較高的回彈球速及較低的拍柄震幅，但應考量實際上運動員體能是否可以負擔。

Date of Award	2017 Jan 9
Original language	Chinese
Supervisor	Kuangyou B. Cheng (Supervisor)