利用HyperWorks實現對運動撞擊情景的精確仿真建模

2016-12-22  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

項目介紹

拉夫堡大學體育技術學院 (STI) 始建于 2007 年,是世界領先的,同時也是英國最大的體育工程學科研團隊。目前,STI 已同多家全球領先的體育用品品牌及戰略商業伙伴廣泛建立合作關系。

STI 擁有設施一流的固定實驗室,可供科研團隊完成從初始概念到最終產品的全部過程。實驗室中設備齊全,便于科研團隊對產品系列進行設計、開發、樣機制造、測試和優化。他們還可以自行制作定制設備,以滿足特定研究項目的要求。

開發用于研究運動類個人防護裝備 (PPE) 的增強型假人模型是該學院主要的研究活動之一。撞擊類假人模型可用于模擬真人,研究人員可通過對假人模型施加傷害性載荷(如用球撞擊大腿)來分析人體的反應行為。

什么是個人防護裝備?

個人防護裝備 (PPE) 是運動員在體育活動過程中必不可少的安全防護設備。人體的結構異常復雜,具有許多相互交織的組織結構和復雜的解剖幾何。

在研究運動撞擊情景時,采用精確的假人模型將有助于研究人員了解人體的真實反應行為。

解決方案

假人模型的研發

Tom Payne是 STI 的一名博士研究員,專注于研發用于改進運動類PPE評估效果的新型合成虛擬假人模型。

為研發出精密的假人模型,從而能夠更準確地預測人體的反應行為,有必要對這些復雜的人體結構進行建模。在對這些結構進行建模時,大多數普通有限元 (FE) 前處理器或網格劃分工具所具備的網格劃分功能遠遠不能滿足需求,于是,HyperMesh應運而生。

能否對復雜幾何進行離散求解是這類研究的關鍵挑戰所在。網格的質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(尤其在驗證合成假人模型時)的重要性,能否對復雜幾何進行網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,它不僅可以報告假人模型的預期行為,同時還能夠報告更復雜的合成假人模型的開發進展,從而無需再進行既昂貴又耗時的原型制作。通過有限元建模,許多無法在合成模型中詳細測量的載荷現象都可實現精確測量,從而無需人為創建應力集中點,因此可避免降低仿真度。

經掃描的股骨

經網格劃分的股骨

Tom Payne正在使用STI先進的實驗室設備

從初始概念到最終產品的過程

高效生成高質量模型

通過學習在線教程和求助曾參加Altair培訓課程的同事,Tom用HyperMesh清理了掃描幾何,并生成一個高質量網格。

幾何編輯工具可以高效清理導入掃描幾何時產生的任何不一致之處。這一功能非常重要,因為所有用于假人模型評估的人體結構均為非標準形狀,因此經常會難以體現某些細節。這款軟件的診斷功能同樣也非常有助于評估網格的質量和一致性。

在研究運動撞擊情景時,有些部位必然會承受局部高應力和單元形變,而這兩者都會對幾何特征(例如,骨性突起)或撞擊位置產生作用。因此,通常要進行網格偏移。研究人員可利用HyperMesh來加強對這些特征的控制,以便更輕松地完成網格優化,從而順利實施和管控后續迭代操作。

總的來說,這款軟件可用于生成高質量網格,使研究人員能夠以高效計算的方式準確描述復雜的解剖幾何。

情景仿真:板球撞擊大腿

結論

STI的研究涉及眾多研究,包括運動鞋、技術服裝、防護設備、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目中得到更廣泛的應用。

日后,這一研究領域將涉及如何針對身體的不同部位,對越發復雜的幾何和撞擊情景進行建模。未來,HyperWorks 將是有限元模型研發中不可或缺的要素,同時也將成為假人模型開發過程的關鍵一環。

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