体育物理学:最好的推杆就是最强壮的运动员吗?

2016年,美国铅球手米歇尔卡特在里约热内卢夺得金牌。她获胜的“推杆”,即推动一个称为“击球”的沉重球形球的动作,移动了惊人的 20.63 米。这本质上就像在成年抹香鲸身上抛掷四公斤(8.8 磅)的炮弹一样。大多数人只是幸运地避免将球摔在自己的脚上。 

对于那些不熟悉这项运动的人,您可能会猜测蛮力是赢得铅球比赛所需的第一技能。毕竟,肌肉最发达的运动员难道不能以比竞争对手更快的速度推进吗?

在与世界上最好的运动员竞争时,每一个微小的优势都很重要。参赛者练习复杂的滑行或旋转技术,以最大限度地提高每次推动时产生的力量。他们还密切绘制数据,例如释放高度、释放角度和射击速度,以实现最佳结果。  

仿真软件可用于研究这些输入参数对铅球距​​离的影响。使用 Altair OptiStructTM,Altair 工程师对飞行中的射击进行了明确的动态分析,以研究各种输入对总飞行距离的影响。显式动态分析可捕捉对象承受高度非线性、瞬态动态力的短期事件的物理特性。

首先进行优化研究以确定大约 45 度是产生最大距离的理想释放角度。使用 1680 毫米(约 5 英尺 5 英寸)的出手高度、45 度的出手角度和每秒 13.5 米的投掷速度,工程师们能够模拟出 20.4 米的击球距离——几乎与卡特的获胜推杆相同.凭借准确模拟现实世界物理的能力,运动员可以使用软件来探索他们的释放角度或释放高度的微小变化如何对他们的最大距离产生积极或消极的影响。 

使用 Altair OptiStruct 显式分析铅球
使用 Altair OptiStruct 显式分析铅球

在第二次模拟中,OptiStruct 被用于研究铁饼投掷角的影响。使用每秒 10 米的相同速度但调整投掷角度,我们可以看到微小的机械调整对结果的影响有多大。当铁饼以 60 度角投掷时,它的行程为 9.9 米。调整到 45 度的投掷角度,铁饼飞行了 12 米,比原来的投掷距离增加了 19% 以上。对这些输入参数的进一步探索可以帮助运动员和他们的教练确定投掷铁饼或击球的最佳方式,帮助他们最大限度地发挥自己的能力,并将他们置于参加比赛的最佳位置。

以 45 度的释放角以 10 m/s 的速度投掷铁饼
以 10 m/s 的速度以 60 度的释放角投掷铁饼

铅球和铁饼是使用模拟来优化性能的相对简单的例子。工程师通常可以利用他们的专业知识和判断力对简单的设计做出决策,但是当面对具有许多相互关联的参数的更复杂的产品设计时,要找到最佳平衡点就困难得多。迭代方法(调整参数、重新运行模拟、查看结果、重复)很快变得既乏味又不足以探索所有可能的组合,让工程师不确定是否还有未探索的选项。 

实验设计 (DOE) 和优化是有用的工具,可用于解决其中一些问题。但是这些多次运行的模拟不一定容易定义、设置和管理。计算机辅助工程 (CAE) 前处理器和后处理器通常没有用于此目的的集成工具。即使他们这样做了,也可能会有一个陡峭的学习曲线,而且这些工具通常不是非常用户友好。结果,它们通常仍然是某些“专家”的领域。

Altair® HyperWorks® 设计浏览器 以自然、无缝、直观的方式将这些探索工具带给产品工程师和分析师。 Design Explorer 提供端到端的工作流程,从定义和执行,到后处理和解释多运行仿真,以进行实时产品性能预测和评估。 

借助 Altair 的仿真和优化工具,从运动员到汽车工程师,每个人都可以准确预测性能并获得优化见解,以确保在最重要的时候实现峰值执行。要了解更多信息,请访问 //www.mhxtq.com/optistruct-applications/.