在足球场上采用人造草皮,已经得到了国际足联(FIFA)的认可。并且国际足联认为,相对于自然草皮来说,人造草皮有诸多优点,比如:色彩更好,更有利于运动员发挥技术,等等。实际上,人造草皮还可以应对更高的比赛强度,不易受恶劣天气的影响,而且维护简单。

    但是国际足联对人造草皮的材料、内部构造、安装、试验和认证等都制定了详细的规范。草皮制造商需要努力提高其产品的性能和安全性,方能在这个市场的残酷竞争中胜出。

    从纺织到高科技

    皇家天佳(Royal TenCate)是一家有着三百年历史的荷兰公司,它是曾经兴旺一时的荷兰纺织业的奠基者之一。由荷兰王室所颁发的“皇家”荣誉,正是几个世纪以来公司成就的结晶。1970年代,随着亚洲势力进入自然纤维市场,天佳开始涉足合成纤维领域。目前,天佳的产品包括了人造草皮纤维等诸多运动场地用品,并且已经成为该领域的领导者。除此以外,公司还生产用于消防的特种纤维,用于飞机的轻质材料,用于隧道、帐篷、雨篷等的高强纤维。毫无疑问,所有这些产品的设计和生产都需要专业的工程技术来支持。

    只要想一想草皮要承受多少次脚踢球砸,要经受多少种气象条件的轮番考验,再想一想它要适应多少种运动环境:足球,橄榄球,曲棍球……您就会理解对于草皮设计来说,专业技术有多么重要。而天佳就是要将所有这些因素融合起来,以设计并制造出一流的人造草皮。

    人造草皮:不只是视觉

    说起人造草皮所要满足的条件,人们首先会想到它的颜色:它当然应该是绿色的。但是只要稍加思索,您就会意识到更重要的因素在哪里:材料——足球需要软质的聚乙烯,橄榄球需要更牢固的涤纶;形状——原纤维还是单纤维;高度——高出场地表面多少;密度——每平方米的用量;强度和分散性能;等等。所有这些因素,都将影响到运动员的安全和技术发挥。

    还不止于此,草皮之下看不见的部分同样关键:草皮纤维下端伸入由橡胶和热塑颗粒制成的填充物,这些填充物用于减震、控制弹性,并防止运动员滑倒时皮肤受伤。填充物之下是一层层的橡胶和沙子,最后6cm长的草尖插入底料。就像地毯一样,底料要平整,不允许有丝毫折叠、收缩或变形,即使温度、湿度和气象条件发生变化,也必须保证这一点。

    更好的性能从有限元分析开始

    天佳公司的草皮部门负责生产人造草皮的全部四种部件:纤维,填充物,底料,基料。“为了取得最优的性能,我们必须仔细调整各组分的比例。”天佳公司研发部门的全球经理,Martin Olde Weghuis,如是说,“我们生产出许多不同种类的聚乙烯草皮纤维,还有热塑填充材料,以及聚丙烯底料纤维。这些材料要协同工作,才能取得最满意的结果。”

    Marco Ezendam是为天佳提供工程咨询服务的Reden公司的主管,他解释说:“运动场地是一个系统工程,它远不是单个组分相互叠加那么简单。如果希望场地有更好的性能,就得了解这个系统是怎样工作的,以及各组分之间关系如何。这就是我们采用有限元分析的原因。”

    Reden公司为天佳提供产品设计和开发流程方面的咨询服务。他们采用的正是达索旗下SIMULIA品牌的有限元分析软件Abaqus。“我们最初选择Abaqus是因为它的材料模型非常丰富。”Ezendam说,“后来随着对求解可靠性的要求越来越高,我们发现Abaqus的功能也越来越强,总是能够满足需求。采用有限元分析,使得我们可以对各个组分的性能进行详细分析,并把它们统合起来以了解整个系统的情况。”

    怎样模拟运动场地

    建立人造草皮模型时,Reden公司将问题分成了几个不同的层次:微观——考虑单根纤维的属性;细观——考虑与纤维相互作用的填充颗粒;宏观——考虑球或者球员冲击场地的情形。“我们用有限元来模拟单个纤维的属性,再将其转换为一组纤维的属性,然后来预测球或球员与场地碰撞时的质量、弹力、阻尼等特性。”Ezendam说。

    在Abaqus中建立草皮纤维的模型后即可对其进行弯曲分析。纤维的质量、形状、高度,等等,都可以多次修改然后重新试验,直到获得理想的特性为止。对于填充物来说,可以调整其形态、尺寸、材料、分布、摩擦和层厚,然后进行三轴压缩试验。在此基础上建立一整块草皮的模型,即将纤维、填充物和底料的特性全部计入,就可以评估其在虚拟足和弹性球作用下的受压性能。

    人造运动员

    足部仿真的目标是完全模拟国际足联所规定的真实试验,即著名的“人造运动员”。人造运动员的主要部件是一个圆盘,用来模拟运动员的脚,它通过一个受载的弹簧连接到场地上,就可以测量场地的响应。Reden公司有两个人造运动员:Berlin和Stuttgart。测量时,两位运动员在天佳室外试验场的人造草皮上走过,Berlin就会报告出圆盘上的最大载荷,而Stuttgart则报告出圆盘的位移。

    Reden公司对人造运动员在人造草皮上的活动进行有限元分析,然后通过解读分析结果来评估草皮纤维、填充物和底料之间不同组合的性能,经过适当的修改就可以使人造草皮的户外试验性能达到最优。

    采用类似的方法,建立一个有限元的壳模型,并在其中填充压强适当的空气,就可以模拟弹性球。作为对照,研究人员用真实的弹球做试验,然后通过修改参数使得有限元模型的行为与真实试验的数据相一致,这样得到的有限元模型就非常精确地反映了运动场上皮球的行为。

    用有限元计算来满足国际足联的标准

    建立计算模型后,Reden公司按照国际足联的标准参数进行了全面验证。他们运行Abaqus的硬件环境是:64位计算机,双CPU,8G内存,Linux 9.2操作系统。单个草皮纤维的模型很小,很容易建立,但是一个假足冲击一块草皮将涉及250,000个单元,大于2,000,000的自由度。“我们目前正在验证所有的模型,真实试验结果与有限元计算结果的对比将很快给出。”Ezendam说。

    Reden公司计划用Abaqus对人造草皮进行深入的模拟,以支持天佳公司持续不断的产品设计和开发。今年夏天它们合作的一项成果就将面世:在北京奥运会的曲棍球项目中,您看到的将是由天佳提供的人造场地。