运动物理学:太空时代先进材料为网球运动员提供竞争优势

在 1970 年代末和 1980 年代初,职业网球运动员开始从木质球拍转向石墨球拍。这种更轻的材料为运动员提供了更好的控制力,并使他们能够更快地挥杆以产生力量和旋转。

威尔逊体育用品公司是世界领先的高性能运动器材制造商之一。包括美国的塞雷娜和维纳斯·威廉姆斯以及英国的安迪·穆雷在内的金牌得主都使用威尔逊球拍达到了这项运动的最高峰。

在体育界,竞争非常激烈,运动员和他们的装备之间的关系可以提供对对手的制胜优势。考虑到这种动态关联,威尔逊的创新中心威尔逊实验室采用最先进的运动技术和专业知识,发明、设计和设计改变游戏规则的产品。在其球拍运动业务中,威尔逊实验室的创新举措包括材料改进、机械改进以及球拍物理参数的改变,以适应球员比赛不断发展的趋势。

今天,大多数球拍框架由轻质石墨或石墨复合材料制成,其中包含钛、凯夫拉或玻璃纤维等材料,从而增加了框架的灵活性。然而,如果不使用有限元分析软件 (FEA),则很难预测这些先进材料的性能和行为。

威尔逊实验室的设计工程师使用 Altair HyperWorksTM FEA 工具通过利用模拟、自动化和优化技术来减少设计周期时间并提高其层压复合材料网球拍的产品价值。

Altair HyperWorks 复合球拍网

复合材料仿真广泛用于航空航天等行业,但对于运动器材制造商而言,它是一种相对未开发的资源。威尔逊实验室是在网球行业应用 FEA 的先驱之一,认识到其作为叠层设计以及优化重量、强度、刚度和简单性的更好工具的好处。

对于球拍的层压复合材料结构的每一层,都会审查叠层文件以了解层的位置,然后修剪和整理表面。指定了层厚度,以及材料特性、载荷和边界条件。使用 HyperWorks 中的结构分析和优化工具进行了多项分析,并验证了结果与物理测试数据的相关性。测试和分析证明了虚拟模型的行为与现实生活中的行为之间存在密切的相关性。 

模拟静态测试,位移轮廓
动态测试,第一固有频率

该项目激发了高度的信心,HyperWorks 带来了在虚拟空间中模拟网球拍所需的准确性,并且虚拟模拟作为一种资源比手动技术更有效。对于 Wilson Labs 预期的性能指标(质量、质心、动态刚度、静态刚度),结果显示与物理测试相比误差百分比小于 4%。凭借 FEA 技术,Wilson 相信他们可以更快地将未来的产品设计推向市场,同时确保他们的设备能够满足专业运动员和休闲运动员的高要求。