利用HyperWorks實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)撞擊情景的精確仿真建模

2016-12-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

項(xiàng)目介紹

拉夫堡大學(xué)體育技術(shù)學(xué)院 (STI) 始建于 2007 年,是世界領(lǐng)先的,同時(shí)也是英國最大的體育工程學(xué)科研團(tuán)隊(duì)。目前,STI 已同多家全球領(lǐng)先的體育用品品牌及戰(zhàn)略商業(yè)伙伴廣泛建立合作關(guān)系。

STI 擁有設(shè)施一流的固定實(shí)驗(yàn)室,可供科研團(tuán)隊(duì)完成從初始概念到最終產(chǎn)品的全部過程。實(shí)驗(yàn)室中設(shè)備齊全,便于科研團(tuán)隊(duì)對(duì)產(chǎn)品系列進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)、樣機(jī)制造、測試和優(yōu)化。他們還可以自行制作定制設(shè)備,以滿足特定研究項(xiàng)目的要求。

開發(fā)用于研究運(yùn)動(dòng)類個(gè)人防護(hù)裝備 (PPE) 的增強(qiáng)型假人模型是該學(xué)院主要的研究活動(dòng)之一。撞擊類假人模型可用于模擬真人,研究人員可通過對(duì)假人模型施加傷害性載荷(如用球撞擊大腿)來分析人體的反應(yīng)行為。

什么是個(gè)人防護(hù)裝備?

個(gè)人防護(hù)裝備 (PPE) 是運(yùn)動(dòng)員在體育活動(dòng)過程中必不可少的安全防護(hù)設(shè)備。人體的結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜,具有許多相互交織的組織結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的解剖幾何。

在研究運(yùn)動(dòng)撞擊情景時(shí),采用精確的假人模型將有助于研究人員了解人體的真實(shí)反應(yīng)行為。

解決方案

假人模型的研發(fā)

Tom Payne是 STI 的一名博士研究員,專注于研發(fā)用于改進(jìn)運(yùn)動(dòng)類PPE評(píng)估效果的新型合成虛擬假人模型。

為研發(fā)出精密的假人模型,從而能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測人體的反應(yīng)行為,有必要對(duì)這些復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。在對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模時(shí),大多數(shù)普通有限元 (FE) 前處理器或網(wǎng)格劃分工具所具備的網(wǎng)格劃分功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求,于是,HyperMesh應(yīng)運(yùn)而生。

能否對(duì)復(fù)雜幾何進(jìn)行離散求解是這類研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn)所在。網(wǎng)格的質(zhì)量是影響模型特性最重要的因素之一。鑒于精確獲得假人模型反應(yīng)(尤其在驗(yàn)證合成假人模型時(shí))的重要性,能否對(duì)復(fù)雜幾何進(jìn)行網(wǎng)格劃分是研究過程中不可或缺的一步。

有限元模型是必不可少的診斷工具,它不僅可以報(bào)告假人模型的預(yù)期行為,同時(shí)還能夠報(bào)告更復(fù)雜的合成假人模型的開發(fā)進(jìn)展,從而無需再進(jìn)行既昂貴又耗時(shí)的原型制作。通過有限元建模,許多無法在合成模型中詳細(xì)測量的載荷現(xiàn)象都可實(shí)現(xiàn)精確測量,從而無需人為創(chuàng)建應(yīng)力集中點(diǎn),因此可避免降低仿真度。

經(jīng)掃描的股骨

經(jīng)網(wǎng)格劃分的股骨

利用HyperWorks實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)撞擊情景的精確仿真建模abaqus有限元技術(shù)圖片3

Tom Payne正在使用STI先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備 利用HyperWorks實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)撞擊情景的精確仿真建模abaqus有限元技術(shù)圖片4

從初始概念到最終產(chǎn)品的過程

高效生成高質(zhì)量模型

通過學(xué)習(xí)在線教程和求助曾參加Altair培訓(xùn)課程的同事,Tom用HyperMesh清理了掃描幾何,并生成一個(gè)高質(zhì)量網(wǎng)格。

幾何編輯工具可以高效清理導(dǎo)入掃描幾何時(shí)產(chǎn)生的任何不一致之處。這一功能非常重要,因?yàn)樗杏糜诩偃四Ｐ驮u(píng)估的人體結(jié)構(gòu)均為非標(biāo)準(zhǔn)形狀,因此經(jīng)常會(huì)難以體現(xiàn)某些細(xì)節(jié)。這款軟件的診斷功能同樣也非常有助于評(píng)估網(wǎng)格的質(zhì)量和一致性。

在研究運(yùn)動(dòng)撞擊情景時(shí),有些部位必然會(huì)承受局部高應(yīng)力和單元形變,而這兩者都會(huì)對(duì)幾何特征(例如,骨性突起)或撞擊位置產(chǎn)生作用。因此,通常要進(jìn)行網(wǎng)格偏移。研究人員可利用HyperMesh來加強(qiáng)對(duì)這些特征的控制,以便更輕松地完成網(wǎng)格優(yōu)化,從而順利實(shí)施和管控后續(xù)迭代操作。

總的來說,這款軟件可用于生成高質(zhì)量網(wǎng)格,使研究人員能夠以高效計(jì)算的方式準(zhǔn)確描述復(fù)雜的解剖幾何。

情景仿真:板球撞擊大腿

結(jié)論

STI的研究涉及眾多研究,包括運(yùn)動(dòng)鞋、技術(shù)服裝、防護(hù)設(shè)備、球類、球棒、球桿、球拍和健身器材,因此,HyperWorks有望在其未來的研究項(xiàng)目中得到更廣泛的應(yīng)用。

日后,這一研究領(lǐng)域?qū)⑸婕叭绾吾槍?duì)身體的不同部位,對(duì)越發(fā)復(fù)雜的幾何和撞擊情景進(jìn)行建模。未來,HyperWorks 將是有限元模型研發(fā)中不可或缺的要素,同時(shí)也將成為假人模型開發(fā)過程的關(guān)鍵一環(huán)。

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