搜索穿出成功——工程师利用ANSYS技术开发速比涛Fastskin比赛套装
2016-11-01 by:CAE仿真在线 来源:互联网
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。”
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。
眺望未来
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。
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。
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,掌握每个单独组件的影响。这是我们第一次将结构分析纳入开发流程,并利用该功能发掘具有足够强度的轻质材料,使泳镜能够承受入水和其他高强度冲击的影响。”
Aqualab 工程仿真结束后,作用在新泳镜上的冲击力与速比涛传统泳镜设计相比降低了60% 以上。
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。
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。
为速度而努力
在优化泳镜的同时, 速比涛Aqualab 设计人员还着重对游泳选手比赛中所戴的泳帽进行研究。
工程师首先对90 个头部扫描图像进行分析,用以研究泳帽在实际佩戴时的变化。研究小组利用收集到的数据确定不同泳帽形状的特征——泳帽形状主要由佩戴者包裹头发的方式决定。然后通过修改参考模型来复制扫描研究中确定的典型泳帽形状,用以评估头型变化造成的阻力影响。
这些初步仿真工作说明:通过优化泳帽内头发的位置,可以将总体阻力降低1.7%。这项研究使速比涛的设计人员开发出一种全新的发型管理系统。这种新产品与泳帽配套使用,能确保头发处于理想的位置,从而最大程度降低阻力。
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。
系统研究法
新款泳帽和泳镜的设计与新款泳衣的设计配套进行,而且泳衣设计符合国际泳联(FINA)2010 年修订版指南的要求。最新指南要求泳衣的身体覆盖面积要小于上一代的全身式泳衣。
根据对男女游泳选手伸展滑行姿势的扫描结果,开发人员得到了45 种泳衣、泳帽和泳镜组合,其中包含现有的、替代的和经过优化的原型设计。
使用由脚本驱动的ANSYS Tgrid 封装器和体积网格剖分技术可以迅速对高分辨率的扫描图像进行预处理,然后分别送到ANSYS Fluent 和ANSYS CFDPost进行分析和后期处理。
仿真可以体现典型的真实游泳条件。Aqualab 的设计人员可以根据性能结果确定最佳的泳衣、泳帽和泳镜组合,还能为每个组件建立独立的性能指标。
开发人员根据全身仿真结果对泳镜进行持续改进, 最终得到了Fastskin3Super Elite 和Elite 泳镜设计。泳镜局部作用力的显著下降使得总体性能提升2%。另外它还能提高冲击水面时的舒适度,使泳镜在高速度、高强度比赛条件下佩戴起来更加牢固和安全。
最终的产品开发工作完成后,Aqualab 聘请专业游泳选手在泳池中对新泳衣、泳帽和泳镜进行了一系列测试,包括美国的迈克尔• 菲尔普斯、英国的Rebecca Adlington 和美国的Ryan Lochte。
在测试过程中,菲尔普斯表示:“速比涛Fastskin3 让我感到完全和水融为一体。我感到信心十足,非常舒适,这是速度最快的泳装。”
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。
继续改进
游泳比赛套装的开发标志着Aqualab 的设计人员首次超越CFD 分析,融合了包含结构分析的多物理场方法。根据Waller 的介绍,这种经强化后的仿真方法能够优化更多产品,与速比涛目前丰富的产品组合相匹配。
Waller 还提到:“2008 年,速比涛建立了低摩擦流体动力学泳衣的统治地位。今后我们准备根据游泳选手的全身整体需求,开发全面的系列产品以实现整体性能和速度的最大化。Fastskin3 游泳套装是一种革命性成果,我们将继续利用ANSYS 解决方案实现更加出众的产品性能改善。不管游泳选手的需求是什么,都可以通过速比涛得到满足,而速比涛则依靠ANSYS 技术推动产品的持续创新。”
尽管Natalie Coughlin(美国)等职业游泳选手在打破世界记录的时候,可能不会想到计算机仿真,但他们都承认科技所带来的巨大优势。Coughlin 表示:“速比涛Fastskin3 是一种从头到脚协调发挥作用的完整套装。虽然泳镜、泳帽和泳衣是独立组件,但我感觉这款游泳套装非常出众。”
不管将来会发生什么情况,有一件事是确定的:ANSYS 和速比涛之间的合作关系将继续成为泳装创新的推动力。
Waller 表示:“2004 年以来我们推出了一系列创新成果,但如果没有ANSYS 软件的设计分析和验证功能,这些都无法实现。ANSYS 已经成为我们的关键合作伙伴,帮助我们推出了众多突破性产品,比如最新的Fastskin3 比赛套装。我坚信这种合作将继续推动创新,影响游泳竞赛的未来。”
利用ANSYS Mechanical分析三种不同聚合物材料的弹性和强度,选出最适合用于泳镜鼻托的材料。
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