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勇夺冠军 ANSYS奥运泳装和竞速帆船案例

Hallam大学的运动工程研究中心与英国羽毛球运动管理协会合作,使用ANSYS CFD软件研究传统鹅毛羽毛球与合成材料羽毛球之间的流场差异。ANSYS奥运泳装和竞速帆船等运动领域的创新看似与日常业务挑战关系不大,但确实有许多值得借鉴的地方。

  这些文章为何如此引人关注?或许是因为作为工程人员的我们在观看世界冠军赛或者一级方程式比赛时,知道一些可以决定比赛胜负的关键技术秘密;或是因为我们懂得如何利用仿真技术设计球拍和球杆等运动装备,可以在网球场上或是高尔夫球场上将这些知识娓娓道来,博得同伴们赞叹的目光。不管出于何种原因,关于竞速帆船和游泳镜设计这样的文章总是会引起我们的兴趣。

  同时这些文章似乎与我们每天面对的工程难题离得很远。我们中有多少人在看到新世界记录诞生或新冠军产生的同时,能够将其与自身的产品开发工作联系在一起呢?

  其实运动工程领域有很多值得借鉴的地方,您可以将这些知识应用于自身的日常工程仿真工作中。体育用品公司的设计小组同样面临着相同的挑战:产品开发周期缩短、竞争加剧、减少开发时间和成本的压力以及不断强化的法规要求等。

勇夺冠军ANSYS奥运泳装和竞速帆船案例

  对于大多数运动装备设计师而言,他们的终极回报不仅仅是看到运动员在比赛中获胜,还有一个重要目标是帮助公司获得更大的消费市场份额、更高的长期利润回报以及由产品质量所带来的更低的质保成本。这些创新排头兵与您的公司差异并不大。当今,所有机构都在应对相同的工程难题。

  体育用品公司的设计小组同样面临着相同的挑战:产品开发周期缩短、竞争加剧、减少开发时间和成本的压力以及不断强化的法规要求等。 充分利用资源:快速取得成果

  新西兰酋长队还推崇另外一个普遍的工程准则,即最大程度地利用产品开发资源。由于要在短短几个月的时间内针对具体赛事设计出全新的竞速帆船,因此船队需要借助工程仿真的力量快速可靠地对数千种风帆配置进行分析。通过将CFD实现自动化运行并采用该国最大的高性能计算(HPC)集群,新西兰酋长队能够充分利用自己的内部资源,满足紧迫的设计日程要求,为快速持续创新提供支持。

  无论规模大小,所有专业设计团队都会面临难以置信的竞争压力。许多运动装备和服装制造商都已深刻认识到这一点。对于志在取胜的公司来说,工程仿真技术是一把利器,可以帮助他们实现产出最大化,抢在竞争对手之前推出创新产品。

  HEAD Sport是一家业界领先的网球拍制造商,他们利用仿真技术促进和加快产品开发工作,实现投资效益最大化。在过去,HEAD每周只能评估一种设计原型,现在这家创新企业运用ANSYS软件和参数化设计方法,在相同时间里能够评估100万种网球拍方案。HEAD在资源效益最大化方面所做的努力已经得到了回报。去年,网球明星德约科维奇使用HEAD的轻型高强度网球拍赢得三个大满贯赛冠军。

勇夺冠军ANSYS奥运泳装和竞速帆船案例

  对于志在取胜的公司来说,工程仿真技术是一把利器,可以帮助他们实现产出最大化,抢在竞争对手之前推出创新产品。

  稳定可靠的设计:设计小组的首要任务

  红牛赛车队在仿真设计方面具有丰富的经验。该车队是ANSYS的老客户,也是工程仿真的有力支持者。红牛车队推出第一款F1赛车后仅仅过了五年,就在

  用于仿真棒球杆的显式动力学技术和复合材料也可用来设计其他轻重量的高强度撞击产品

  利用计算机仿真和智能流体解决方案为Red7设计一款更加稳定、排水性更好的冲浪撬,而且不会损失速度。新款冲浪撬(经顶级赛手确认)可以缩短比赛用时,而且销量实现增长 2010年和2011年连续两次夺得车队总冠军。在这项以毫秒决胜负的运动中,价值百万美元的赛车所具有的空气动力学特性对于比赛结果的重要性绝对不亚于车手的技术。红牛已经充分认识到这一点,他们运用工程仿真技术设计的赛车具有极其出色的稳定性。

勇夺冠军ANSYS奥运泳装和竞速帆船案例

  在构建原型之前,红牛车队首先对赛车的大量部件进行虚拟的设计和分析,例如气流和压力点以及轮胎和悬挂。与传统的风洞测试相比,这样可以节省大量成本和时间,还能清晰呈现出车辆的最终性能表现。红牛车队在设计流程的早期就可以尽早发现潜在的性能短板,实现具有颠覆性的快速创新,从而使车队在一站接一站的比赛中驶向胜利的终点。

勇夺冠军ANSYS奥运泳装和竞速帆船案例

  另一个世界级的创新者是新西兰酋长队,他们的工作重点是设计出稳定可靠的比赛用帆船,在著名的美洲杯帆船赛和沃尔沃环球帆船赛等极为严酷的赛事中取得佳绩。

  借助计算流体动力学(CFD)仿真技术和参数分析法,该船队不仅能优化至关重要的风帆设计,还能确保船身和附件可以最大程度地发挥风帆的效用。由于帆船在比赛中要完成将近4万英里的航程,而且风力和天气条件千变万化,因此新西兰酋长队必须高度重视设计的稳定性和帆船的整体性能。

  系统级设计:走向胜利的战略

  目前,工程仿真的先驱者正在应用系统级的多物理场方法,目的是在优化每个单独产品组件的同时,确保全部组件能够组成一个高性能系统共同发挥作用。这种整体设计方法正在体育界掀起风暴。

勇夺冠军ANSYS奥运泳装和竞速帆船案例

  速比涛凭借其在泳装领域的创新而闻名世界,该公司的独特之处在于利用CFD技术使游泳运动员周围的流体流动最大化,使阻力实现最小化。从文章中您可以了解到,速比涛最近开发出一套完整的“竞赛套装”,将泳镜和泳帽纳入到了公司的优秀产品系列中。速比涛将结构分析与CFD研究相结合,设计出首套以完整套装形式出现的具有革命性的最新游泳装备。

  Avanti Bikes也采用单组件仿真与系统仿真相结合的这种方法,开发出了具有最佳性能的自行车产品,不仅获得了设计大奖,还赢得了赛事冠军。自行车比赛的结果往往是一秒定乾坤,而系统级仿真恰恰是左右冠军归属的关键因素。 自行车设计师正在利用工程仿真技术将传统的自行车转变为更加先进、经过优化和定制的装备。目前,天主教鲁汶大学、苏黎世联邦理工学院和埃因霍温大学这三所欧洲大学正在为参赛车队建立系统级视图,从而把这项研究推向新的高度。

  这些学术研究人员的工作重点是优化赛手在自行车上的姿态和位置,以达到降低阻力的目的。近期他们对比利时国家自行车队的每名队员进行了扫描,以便利用工程仿真技术改善每个队员的骑行姿势,最终提高竞赛表现。

  实现阻力最小化以及自行车、头盔和其他装备的不断改进,将给自行车运动带来彻底的革命。开发工作,捕捉系统级仿真给体育界带来的其他变革. 我们将继续重点跟踪这些。

  让您的产品创新实现跨越式启动

  本期ANSYS Advantage杂志为您提供了很多吸引人的精彩内容,或许可以成为您在泳池边或网球场上的谈资。

  但最重要的是,我们希望这些实例能够激发您的灵感,帮助您更好地利用仿真技术开发自己的产品。

  您的工作可能与大满贯赛冠军或世界冠军奖牌无关,但是您可以利用工程仿真技术推动公司内部创新,同样可以成为自身领域的冠军和英雄。通过学习这些优秀创新企业如何实现高质量设计,如何充分利用资源,以及如何进行系统级仿真,有助于您和您的小组开发出世界一流的产品,无论您属于哪个领域。

  利用工程仿真技术推动公司内部创新,同样可以成为自身领域的冠军和英雄。

  由欧洲学术研究人员组成的合作小组首次采用系统级方法优化自行车队的成绩,。实现阻力最小化以及制造商对设备的持续改进,将把这项运动推向新的水平。

  速比涛的工程师利用ANSYS技术开发速比涛Fastskin3比赛套装

  速比涛Fastskin3是全球首款集泳衣、泳帽和泳镜于一身的比赛套装

  在过去十年中,速比涛利用计算流体动力学(CFD)改进竞赛泳装的性能,公司的研发投入结出了丰硕的成果。

  速比涛与ANSYS的合作获得了丰富的开发成果,其中就包括具有突破意义的Speedo LZR RACER?套装。在优化这款泳装的过程中,速比涛使用ANSYS Fluent CFD软件预测伸展滑行姿态下游泳选手身体四周的流体流动,以确定哪些区域可能产生阻力影响。在2008年北京夏季奥运会上,有47块游泳金牌以及89%的游泳奖牌都是由身着速比涛LZR RACER泳衣的运动员夺得的。

  2008年以来,速比涛的研发工作已经超越了泳衣的范畴。公司内部的全球研发机构Aqualab?将ANSYS仿真软件的使用范围进行了扩展,进一步利用该软件对游泳选手的泳帽和泳镜进行优化,从而开发出了一套完整产品,为公司赢得了更强的竞争优势。这种结合多年研发成果的产品就是Fastskin3比赛套装。

  世界性突破

  2011年底,速比涛最新的泳装创新产品Fastskin3首次亮相。这是一种集泳帽、泳镜和泳衣于一体的革命性比赛套装。根据研究,运动员穿戴这套产品时,全身的被动阻力最高可降低16.6%,氧气经济性提高11%,身体主动阻力可降低5.2%。

  速比涛Aqualab实验室的负责人Tom Waller博士表示:“工程仿真为这款世界领先产品的问世做出了重要贡献。游泳运动员历史上首次穿着符合流体动力学原理的全套泳装,以最高的效率在泳池中劈波斩浪。”

  在设计Fastskin3比赛套装的过程中,Aqualab利用ANSYS多物理场软件以及90多张人头扫描图像执行1200多次单独的仿真以获得实验所需的数据。这些仿真揭示了良好的拟合对于优化流体动力学性能的重要意义。因此Aqualab团队在游泳套装设计过程中 “工程仿真为这款世界领先产品的问世做出了重要贡献”。

  Tom Waller博士在分析现有泳镜(左)和新一代设计(右)的近面流速场时,速比涛的工程人员能够立即看到流体动力学性能方面的改善。

  采用了一种被称为拟合点标签的最新解剖学标记系统,用于识别泳帽、泳镜和泳衣上的拟合点,从而使游泳套装能够理想地贴合在人体表面。这样,不仅能最大限度提高舒适度,还能将阻力降到最低。

  Waller表示,ANSYS的CFD软件在开发这三个组件的过程中起到了重要作用。“多年以来,ANSYS一直是速比涛Aqualab小组的重要技术合作伙伴和顾问。在开发 Fastskin3比赛套装时,ANSYS提供的软件让我们有理由相信我们的设计能够在实际使用中发挥出预期的性能。同时帮助我们节省了大量的资源——而在过去我们不得不将这部分资源用来进行物理测试。”

  从模拟入水动作的自由表面仿真中,研究人员认识到现有的泳镜设计会产生严重的气泡,而且会造成紊流,给游泳选手的下游表现造成不利影响。

  在目睹了流体动力学泳衣在2008年帮助游泳选手取得辉煌成绩后,Aqualab小组开始探索如何将相同的原理应用在泳镜等其他技术装备上。

  第一步,Aqualab小组成员对现有速比涛泳镜的流体动力学性能进行研究。将现有泳镜的CAD装配体导入ANSYS DesignModeler进行清理,为表面网格剖分做好准备。然后采用Optimal Solutions的Sculptor?形变技术将泳镜的表面网格覆盖在运动员全3D扫描面部轮廓上。随后使用ANSYS Tgrid为复杂的面部器官表面生成稳定可靠的棱柱层,并耦合到高效、高质量的六面体网格上。 在稳定滑动条件下进行的初步仿真表明:泳镜上的局部力会形成严重的受力“尖峰”,从而影响下游流场的均匀性。现有泳镜设计形成的紊流条件会给游泳选手的游行速度造成不利影响。

  深入挖掘性能

  在Aqualab掌握了泳镜设计的液力学影响后,该小组启动了一个由仿真驱动的开发和优化流程。

  该流程需要在游泳比赛的动态条件下测试新一代泳镜设计,泳镜需要承受来自各个方向的压力,包括入水时产生的高冲击力。为了更加全面地掌握新泳镜的实际性能,开发小组使用ANSYS Fluent仿真游泳选手的入水过程。

  自由表面仿真体现了新泳镜设计的两大性能特点。首先与现有泳镜相比,新泳镜的冲击力要小得多。其次,新泳镜产生的气泡数量要少得多,从而可以减轻紊流,减少对选手下游表现的不利影响。Aqualab小组认为这种瞬态自由表面仿真对掌握新泳镜设计的真正潜力具有重要意义。

  在后续的参数仿真中,Aqualab小组成员对新一代泳镜的整体设计进行了优化,以确保符合法规规定并实现最大流体动力学效率。该小组测试了泳镜设计的结构响应,使用ANSYS DesignModeler和ANSYS Mechanical对多种聚合物材料进行评估。研究人员还利用ANSYS Workbench平台确保设计的可靠性。

  Waller表示:“ANSYS软件的参数和多物理场分析功能有助于我们的团队迅速找出问题答案,优化最新泳镜设计的契合度,掌握每

  速比涛利用ANSYS DesignModeler优化新一代泳镜的总体外形,包括透镜与眼睛的相对位置、鼻梁架设计和契合度、侧壁组成以及泳镜密封性。上图为泳镜的CAD设计图。

  使用ANSYS Fluent进行的CFD仿真显示出严重的流场扰动和流体阻力,这是由泳帽形状缺陷所导致的。

  从左至右:速比涛Super Elite和Elite泳镜的性能与现有的Aquasocket泳镜相比得到了显著提高。

  仿真真实的游泳条件,用以测试各种泳帽、泳镜、泳衣组合的效果,建立用于指导游泳套装设计工作的性能参考体系。

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