Количественная оценка неопределенности в динамическом моделировании прыжков с шестом
Автор: Эль Мримар О., Бендау О., Самуди Б., Эль Хаддад З.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 3 (105) т.28, 2024 года.
Бесплатный доступ
Были разработаны различные стохастические методы ( NIPC ) для учета неопределенностей при анализе случайной природы входных параметров в механических системах, оценки динамических реакций конфигурации «масса - пружина», напоминающей перевернутый маятник, который имитирует прыжок с шестом, включая неопределенности, связанные с различными параметрами. Кроме того, описана и одобрена эффективность NIPC , позволяющая продемонстрировать, как эти неопределенные параметры влияют на производительность прыжка в сочетании с методом Монте-Карло ( MC ). Результаты, полученные с помощью метода NIPC для количественной оценки неопределенности, сравниваются с результатами, полученными с помощью эталонного подхода методом Монте-Карло. Результаты, полученные с помощью метода NIPC , демонстрируют соответствие решениям, полученным с помощью эталонного метода. В целом предложенный метод NIPC оказался эффективным решением для проблемы, сокращения времени вычислений, получения количественной оценки неопределенности динамических реакций модели для прыжков с шестом.
Метод неинтрузивного полиномиального хаоса, метод монте-карло, количественная оценка неопределенности, стохастические параметры, прыжки с шестом
Короткий адрес: https://sciup.org/146282983
IDR: 146282983 | УДК: 531/534: | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.3.10
Uncertainty quantification in dynamic modeling of pole vaultusing a non-intrusive polynomial chaos approach
Various stochastic techniques have been developed to account for uncertainties in analyzing the random nature of input parameters within mechanical systems. In this research, we employ the non-intrusive polynomial chaos method (NIPC) to evaluate the dynamic responses of a mass-spring configuration, resembling an inverted pendulum that simulates pole vaulting by incorporating uncertainties related to various parameters. In addition, the effectiveness of the NIPC is described and approved to allow demonstrating how these uncertain parameters affect the performance of the vault in conjunction with the Monte Carlo (MC) method. The results obtained from the NIPC method for uncertainty quantification (UQ) are compared with those obtained using the MC reference approach. These results produced by the NIPC method demonstrate remarkable concordance with the solutions derived from the reference method. In general, the proposed NIPC method proves to be an effective solution for mitigating problem complexity, reducing computational time, obtaining uncertainty quantification of dynamic responses of the model for pole vaulting.
Список литературы Количественная оценка неопределенности в динамическом моделировании прыжков с шестом
- Ansys Software. Workbench User's Guide [Электронный ресурс]. – URL: www.ansys.com (дата обращения: 20.03.2023).
- Arampatzis, P.M. Effect of the pole-human body interaction on pole vaulting performance / P.M. Arampatzis, A. Schade, F.G.P. Brüggemann // Journal of Biomechanics. – 2004. – Vol. 37, no. 9. – P. 1353–1360.
- Кинематические и динамические параметры финальной стадии метания копья / К.К. Бондаренко, А.Е. Бондаренко, В.А. Боровая, П.В. Примаченко, С.В. Шилько // Российский журнал биомеханики. – 2022. – Т. 26, № 1. – С. 95–107.
- Chau, S. Kinetic to potential energy transformation using a spring as an intermediary: Application to the pole vault problem / S. Chau, R. Mukherjee // Journal of Applied Mechanics, Transactions ASME. – 2019. – Vol. 86, no. 5. – Article no. 051001. DOI: 10.1115/1.40425766
- Джеббар, Н. Трехмерный конечно-элементный анализ влияния ударной нагрузки от импактора переменной массы на распределение напряжений на поверхности «кость – имплантант» / Н. Джеббар, А. Бачири, Б. Бутабут // Российский журнал биомеханики. – 2023. – Т. 27, № 1. – С. 10–21. DOI: 10.15593/RJBiomech/2023.1.01
- Finite element simulation of pole vaulting / S. Drücker, K. Schneider, N.K. Ghothra, S. Bargmann // Sports Engineering. – 2018. – Vol. 21, no. 2. – P. 259–264. DOI: 10.1007/s12283-017-0251-0
- Ekevad, M. Simulation of smart pole vaulting / M. Ekevad, B. Lundberg // Journal of Biomechanics. – 1995. – Vol. 28, no. 9. – P. 1079–1090. DOI: 10.1016/0021-9290(94)00168-4
- Ekevad, M. Influence of pole length and stiffness on the energy conversion in pole-vaulting / M. Ekevad, B. Lundberg // Journal of Biomechanics. – 1997. – Vol. 30, no. 3. – P. 965–976. DOI: 10.1016/S0021-9290(96)00131-5
- El Mrimar, O. Optimization of pole vault parameters using particle swarm optimization and genetic algorithm / O. El Mrimar, O. Bendaou, B. Samoudi // Series on Biomechanics. – 2023. – Vol. 37, no. 4. – P. 93–106. DOI: 10.7546/SB.12.04.2023
- El Mrimar, O. The perturbation method for dynamic analysis of pole vaulting / O. El Mrimar, O. Bendaou, B. Samoudi // International Conference Interdisciplinarity in Engineering. – Cham: Springer International Publishing, 2021. – P. 641–650.
- Численная модель прыжка с шестом с помощью конечно-элементного анализа / О. Эль Мримар, О. Бендаоу, Б. Самоунди, З. Эль Хаддад // Российский журнал биомеханики. – 2024. – Т. 28, № 1. – С. 101–112. DOI 10.15593/RZhBiomeh/2024.1.08
- El Mrimar, O. Non-linear stochastic dynamics analysis of mechanical systems using non-intrusive polynomial chaos method: application to pole vaulting / O. El Mrimar, O. Bendaou, B. Samoudi // Meccanica. – 2023. – Vol. 58, no. 12. – P. 2219–2235.
- An examination of kinematic parameters related to pole vault performance / S. Enoki, K. Nakayama, Н. Takigawa, R. Kuramochi // International Journal of Performance Analysis in Sport. – 2023. – P. 1–10.
- Mechanics of pole vaulting: a review / J. Frère, M. L’hermette, J. Slawinski, C. Tourny-Chollet // Sports Biomechanics. – 2010. – Vol. 9, no. 2. – P. 123–138.
- Gebsky, A. Influence of selected variables of athletes’ special physical fitness on sports performance in pole vaulting / A. Gebsky, K. Perkowski // Journal of Physical Education and Sport. – 2023. – Vol. 23, no. 7. – P. 1804–1809.
- Hubbard, H. Dynamics of the pole vault / H. Hubbard // Journal of Biomechanics. – 1980. – Vol. 13, no. 11. – P. 965–976. DOI: 10.1016/0021-9290(80)90168-2
- International Association of Athletics Federations [Электронный ресурс]. – URL: www.iaaf.org (дата обращения: 20.03.2023).
- Optimizing the pole properties in pole vaulting by using genetic algorithm based on frequency analysis / A.F. Jahromi, A. Atia, R.B. Bhat, W.F. Xie // International Journal of Sports Science and Engineering. – 2012. – Vol. 6. – P. 41–53.
- Кручинин, П.А. Энергетические оценки в стабилометрии / П.А. Кручинин, Н.В. Холмогорова // Российский журнал биомеханики. – Т. 26, № 1. – С. 60–72. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2022.1.05
- Linthorne, N.P. Energy loss in the pole vault take-off and the advantage of the flexible pole / N.P. Linthorne // Sports Engineering. – 2000. – Vol. 3, no. 4. – P. 205–218.
- Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния эндопротеза / Л.Б. Маслов, А.Ю. Дмитрюк, М.А. Жмайло, А.Н. Коваленко // Российский журнал биомеханики. – 2021. – Т. 25, №4. – С. 414–433. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2021.4.07
- McGinnis, P.M. Dynamic finite element analysis of a human-implement system in sport: the pole vault (biomechanics, modeling). Ph.D. Thesis. / P.M. McGinnis // University of Illinois at Urbana-Champaign. – 1984.
- McGinnis, P.M. Mechanics of the pole vault take-off / P.M. McGinnis, F. Schade, G.P. Brüggemann // New Studies in Athletics. – 1997. – Vol. 12. – P. 43–46.
- Mesnard, M. An essential performance factor in pole-vaulting / M. Mesnard, J. Morlier, M. Cid // Comptes Rendus Mecanique. – 2007. – Vol. 335, no. 7. – P. 382–387.
- Morlier, J. Influence of the moment exerted by the athlete on the pole in pole-vaulting performance / J. Morlier, M. Mesnard // Journal of Biomechanics. – 2007. – Vol. 40, no. 10. – P. 2261–2267.
- Morlier, J. Three-dimensional analysis of the angular momentum of a pole-vaulter / J. Morlier, M. Cid // Journal of Biomechanics. – 1996. – Vol. 29, no. 8. – P. 1085–1090.
- Упругая линейная, билинейная, нелинейная экспоненциальная и гиперупругие модели кожи / С.А. Муслов, С.С. Перцов, Е.А. Чижмаков, Н.Б. Асташина, В.Н. Никитин, С.Д. Арутюнов // Российский журнал биомеханики. – 2023. – Т. 27, № 3. – С. 89–103. DOI: 10.15593/RJBiomech/2023.3.07
- Ohshima, S. Optimization of pole characteristic in pole vaulting using three-dimensional vaulter model / S. Ohshima, Y. Nashida, A. Ohtsuki // Procedia Engineering. – 2010. – Vol. 2, no. 2. – P. 3191–3196. DOI: 10.1016/j.proeng.2010.04.131
- Саттаров, Р.Р. Оптимизация переноса груза при помощи колебательной системы / Р.Р. Саттаров, Р.Т. Хазиева, М.Д. Иванов // Российский журнал биомеханики. – 2022. – Т. 26, № 3. – С. 98–104. DOI: 10.15593/RJBiomech/2022.3.08
- Schade, F. Reproducibility of energy parameters in the pole vault / F. Schade, A. Arampatzis, C.P. Brüggemann // Journal of biomechanics. – 2006. – Vol. 39, no 8. – P. 1464–1471.
- Factor analysis of the biomechanical parameters of pole vault run-up and takeoff: exploring sports performance / L. Xiayuan, X. Zhengliang, L. Feiliang, G. Jinzhong, W. Xie, L. Yu // Journal Sports Biomechanics. – 2020. – Vol. 3. – P. 1–21. DOI: 10.1080/ 14763141.2022.2080104
