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利用HyperWorks实现对运动撞击情景的精确仿真建模

2015/1/30    来源:Altair        
关键字:HyperWorks  运动撞击  
文章介绍了利用HyperWorks的增强型网格划分功能,实现对运动撞击情景的精确仿真建模。

项目介绍

    拉夫堡大学体育技术学院(STI)始建于2007年,是世界领先的,同时也是英国最大的体育工程学科研团队。目前,STI已同多家全球领先的体育用品品牌及战略商业伙伴广泛建立合作关系。

    STI拥有设施一流的固定实验室,可供科研团队完成从初始概念到最终产品的全部过程。实验室中设备齐全,便于科研团队对产品系列进行设计、开发、样机制造、测试和优化。他们还可以自行制作定制设备,以满足特定研究项目的要求。

    开发用于研究运动类个人防护装备(PPE)的增强型假人模型是该学院主要的研究活动之一。撞击类假人模型可用于模拟真人,研究人员可通过对假人模型施加伤害性载荷(如用球撞击大腿)来分析人体的反应行为。

    什么是个人防护装备?

    个人防护装备(PPE)是运动员在体育活动过程中必不可少的安全防护设备。人体的结构异常复杂,具有许多相互交织的组织结构和复杂的解剖几何。在研究运动撞击情景时,采用精确的假人模型将有助于研究人员了解人体的真实反应行为。

解决方案

    假人模型的研发

    Tom Payne是STI的一名博士研究员,专注于研发用于改进运动类PPE评估效果的新型合成虚拟假人模型。为研发出精密的假人模型,从而能够更准确地预测人体的反应行为,有必要对这些复杂的人体结构进行建模。在对这些结构进行建模时,大多数普通有限元(FE)前处理器或网格划分工具所具备的网格划分功能远远不能满足需求,于是,HyperMesh应运而生。能否对复杂几何进行离散求解是这类研究的关键挑战所在。网格的质量是影响模型特性最重要的因素之一。鉴于精确获得假人模型反应(尤其在验证合成假人模型时)的重要性,能否对复杂几何进行网格划分是研究过程中不可或缺的一步。

经扫描的股骨

经扫描的股骨

经网格划分的股骨

经网格划分的股骨

    有限元模型是必不可少的诊断工具,它不仅可以报告假人模型的预期行为,同时还能够报告更复杂的合成假人模型的开发进展,从而无需再进行既昂贵又耗时的原型制作。通过有限元建模,许多无法在合成模型中详细测量的载荷现象都可实现精确测量,从而无需人为创建应力集中点,因此可避免降低仿真度。

Tom Payne正在使用STI先进的实验室设备

Tom Payne正在使用STI先进的实验室设备

从初始概念到最终产品的过程

从初始概念到最终产品的过程

    高效生成高质量模型

    通过学习在线教程和求助曾参加Altair培训课程的同事,Tom用HyperMesh清理了扫描几何,并生成一个高质量网格。

    几何编辑工具可以高效清理导入扫描几何时产生的任何不一致之处。这一功能非常重要,因为所有用于假人模型评估的人体结构均为非标准形状,因此经常会难以体现某些细节。这款软件的诊断功能同样也非常有助于评估网格的质量和一致性。

    在研究运动撞击情景时,有些部位必然会承受局部高应力和单元形变,而这两者都会对几何特征(例如,骨性突起)或撞击位置产生作用。因此,通常要进行网格偏移。研究人员可利用HyperMesh来加强对这些特征的控制,以便更轻松地完成网格优化,从而顺利实施和管控后续迭代操作。

    总的来说,这款软件可用于生成高质量网格,使研究人员能够以高效计算的方式准确描述复杂的解剖几何。

情景仿真:板球撞击大腿

情景仿真:板球撞击大腿

结论

    STI的研究涉及众多研究,包括运动鞋、技术服装、防护设备、球类、球棒、球杆、球拍和健身器材,因此,HyperWorks有望在其未来的研究项目中得到更广泛的应用。日后,这一研究领域将涉及如何针对身体的不同部位,对越发复杂的几何和撞击情景进行建模。未来,HyperWorks将是有限元模型研发中不可或缺的要素,同时也将成为假人模型开发过程的关键一环。

责任编辑:程玥
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