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HEAD Sport公司采用仿真提供世界一流的网球球拍

2015/12/22    来源:ANSYS    作者:Stefan Mohr      
关键字:ANSYS Mechanical  模态振型  仿真技术  
本文介绍了HEAD Sport通过持续创新,运用先进的仿真技术不断提升性能,从而确保公司在这个市场始终立于不败之地。

    竞争激烈的网球装备市场非常注重设备性能,而且产品生命周期极为短暂。HEAD Sport通过持续创新,运用先进的仿真技术不断提升性能,从而确保公司在这个市场始终立于不败之地。在过去,HEAD的工程师使用试错法改进球拍设计,但构建和测试球拍原型所需的时间过长,物理测试提供的信息有限,从而影响了设计的改进。近来,HEAD运用ANSYS仿真技术能够在比以往短得多的时间内评估出虚拟原型,这不仅显著提高了性能,而且加快了创新步伐。HEAD的创新型设计帮助许多世界一流选手登上冠军奖台,比如Novak Djokovic使用YOUTEK™ IG SPEED MP 18/20球拍在2011年赢得三次大满贯锦标赛,登上世界排名第一选手的宝座。

克服强度和刚度挑战

 网球拍设计需要解决的基本挑战之一是设计一种自身重量只有数百克,而其76个孔的每一个孔可以承受200牛顿,总共可以承受15,200万牛顿(合3,417磅,一辆大型汽车的重量)的张力的拍框。HEAD的开发人员通过采用经特殊加工具有正交各向异性的碳/玻璃纤维增强型聚合物(FRP)材料,提供了足够的刚度和强度,可满足球拍的性能及耐用性要求。另外,顶级选手发球速度高达250公里/小时,能产生为时3毫秒或4毫秒、峰值高达600牛顿的作用于拍弦的垂直力。在这短短瞬间,网球的速度从0加速到250公里/小时。HEAD的工程师通过“力与时间”的函数关系,动态分析网球作用在拍弦上的力并进行仿真。在某些情况下,为简化计算,他们还把动力折算为静力。

 以往的球拍设计方法的问题之一是在原型球拍通过刚度测试时,工程师无法掌握它距离折断有多远。采用ANSYS Mechanical,HEAD的工程师可以精确判断施加在复合板上每一层的应力,通过少量增减材料,确保在不浪费材料的情况下准确满足刚度要求。

 如今HEAD生产的拍框自重仅为200克,但能够同时承受拍弦张力和网球的作用力。实际上,200克的球拍对真正打网球来说太轻了,不过它可以让工程师自由地为球拍增添其它功能。

图1 在弯曲负荷的作用下网球球拍拍柄区域

图1 在弯曲负荷的作用下网球球拍拍柄区域

模态振型和频率

 模态振型和频率在球拍设计中的作用正日趋变得重要,因为球拍“感”是通过振动传递到手上的。例如,曾有职业网球选手到访HEAD,称他对专为他开发的球拍不满意,但又说不出原因。HEAD的工程师使用ANSYS Structural对球拍的模态振型和频率进行了评估,然后通过修改,使之手感合适。随着时间的推移,研究人员已经发现多种特定的模态振型和频率能够带来可靠的手感和稳定的球拍,所以他们能够从设计流程伊始就能够解决球拍的手感问题。

 确保提议的球拍设计不会在正常使用中激发模态谐振,这一点也很重要。例如,拍弦的第一种振动模态一般在500赫兹左右。工程师使用ANSYS软件对所提议的球拍设计的模态谐振进行分析,确保更高模态不会太贴近这个数值。更高的模态对球拍产生的声音有重大作用。HEAD的工程师通过优化模态振型和频率,使球拍发出的声音能够给选手提供正确的反馈信息。

 网球拍的护套是一个塑料配件,安装在球拍头部,用于防止磨损和冲击。护套先注塑成2D形状,然后在组装过程中弯折成复杂的3D形状。在加工该配件时施加有预应力,这样当其弯折成最终形状时,可将其固定到位。但如果施加的预应力过大,护套就会弯曲;过低,则会松弛。工程师使用ANSYS Mechanical仿真组装过程,确保对其只施加适当大小的预应力。

图2 特定激发负荷下的谐振频谱分析(蓝色代表中心拍弦,紫色代表中心以外的拍弦)

图2 特定激发负荷下的谐振频谱分析(蓝色代表中心拍弦,紫色代表中心以外的拍弦)

责任编辑:吴星星
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