科学技术在体育运动中扮演很重要的角色,是体育产业开发与应用的第一推动力量。鲨鱼皮泳衣、克莱普冰刀等这些体育科技产物无不证明了这一点。速度滑冰是一项复杂的运动,滑跑成绩受冰刀与冰的多层面的交互作用影响,除了运动员的个人水平外,滑冰器材的革新也是潜在的影响因素。冰刀是冰上运动的基础,而冰刀的结构、形状、力学性能对提高运动成绩都有极大的影响。其中,冰刀弧将直接决定运动员滑行的动力学性能,是影响速滑运动员成绩的决定因素之一,冰刀弧曲线为一光滑自由曲线,包括弧形、弧度、弧长、弧高和顶弧位置等参数。因此,通过提高冰刀对冰面的作用效果来提升运动员的比赛成绩至关重要。本文选取冰刀弧的曲率半径,顶弧位置和弧形为设计参数,各参数分别选取了3个水平:曲率半径(R=15 m,R=20 m,R=25 m),顶弧位置(弧顶位于沿刀长方向上40%,50%,60%处),弧形(圆弧形、抛物线形和摆线形),利用试验优化设计编排并加工出共9种冰刀弧。通过冰上试验和有限元模拟,探寻各因素水平对冰刀滑行效果的影响。(1)通过低速滑行试验,以摩擦阻力为试验指标,经极差分析得出三种因素对摩擦阻力影响的主次因素顺序为曲率半径、顶弧位置、弧形,各因素的优水平为R=15 m、40%、摆线形。冰刀弧的曲率半径与滑行阻力影响具有显著相关性。在压力板测试中得出刀弧曲率半径对刀刃与冰面接触面积和接触压强的影响要大于弧形;顶弧位置会影响刀刃压力中心位置和刀刃底部与冰的接触区域。(2)利用ANSYS对9种冰刀进行滑动摩擦热-结构耦合分析,以温升为试验指标,得出的结论与低速滑行试验基本一致,曲率半径的优水平为R=20 m;接接触面的压强、接触面间的热传导和非接触面的对流换热均影响接触面温升。(3)利用ANSYS模拟涂层冰刀和几何结构刃面冰刀的滑动摩擦效果以提高冰摩擦润滑效果和冰刀服役性能。通过对比不含涂层、UHMWPE涂层和TiN涂层冰刀与冰面作用后温度场及应力场,分析得到涂层材料使冰面温升更高,同时涂层起隔热作用,对冰刀基体温度场有缓释作用;并分析涂层基体等效应力与切应力表明涂层冰刀存在两个危险点,且应力随弹性模量增大而增大。通过对比不同间距的凹坑型刃面冰刀与冰面作用后温度场及应力场,得到只有间距为7mm的几何结构刃面冰刀使冰面具有更高的温升;分析光滑和几何结构刃面冰刀基体的等效应力和温度场,得到几何结构刃面在局部存在应力集中和局部高温,但在接触区的等效应力和温度均小于光滑刃面,几何结构刃面对冰刀基体应力场和温度场具有缓释作用,且凹坑间距越小,缓释作用越明显。