运动物理学:使用仿真预测运动损伤和设计防护装备

许多运动项目都利用防护设备来帮助运动员防止受伤,从拳击头盔和手套到足球(足球)护胫,以及不太明显的情况,例如马拉松运动员的鞋子中的衬垫。随着竞争越来越激烈,运动科学已转向模拟,以了解伤害的性质并在不牺牲性能的情况下专业设计防护装备。

与汽车制造商在车辆安全测试中使用模拟碰撞测试假人的方式类似,运动科学在运动损伤、运动安全和个人防护装备 (PPE) 研究中使用增强的人体替代模型。这使他们能够捕获准确的负载条件和生物响应数据,并运行数千次测试场景迭代以优化 PPE 以抵消有害负载。使用计算机模型,他们可以捕捉运动员对撞击的反应,包括力如何影响身体内相互作用的组织系统和骨骼结构。 

汽车乘员安全的领先技术, Simcenter MadymoTM 西门子的,也被用于许多运动影响研究。使用与车辆碰撞测试相同的生物力学模型,Simcenter Madymo 使运动科学家能够确定碰撞的短期和长期影响,优化保护性头饰和身体护垫,甚至优化人造草的摩擦以降低受伤风险比赛场地。 Altair 客户可以通过以下方式访问 Simcenter Madymo Altair 合作伙伴联盟.

使用 Simcenter Madymo 模拟足球头球和头球响应的生物力学。来源: 英国运动医学杂志

拉夫堡大学体育技术研究所 (STI) 是世界领先的体育产业研究团体之一,也是英国同类研究机构中规模最大的。他们用 Altair HyperWorksTM 虚拟模拟这些虚拟人类代理并模拟运动影响场景。离散化复杂几何的能力是与此类研究相关的关键挑战,网格的质量显着影响模型的行为和准确性。

扫描股骨(左)和网状股骨(右)

在 HyperWorks 中使用有限元 (FE) 建模,可以测量许多加载现象,而这些现象在使用合成模型的物理测试中无法测量到相同的细节。 

在考虑运动冲击场景时,不可避免地存在局部高应力和元件变形的区域,这两者都是几何特征(例如骨突出)或冲击位置的函数。因此,网格偏置通常是必要的。 HyperWorks 提供的对此类功能的增强控制使网格细化更易于进行和操作以进行进一步迭代。

在 Altair HyperWorks 中模拟撞击大腿的球

STI 开展了广泛的研究,包括运动鞋、技术服装、防护装备、球、球棒、球杆、球拍和健身器材。 HyperWorks 将成为未来有限元模型开发不可或缺的一部分,并将成为替代开发周期的关键组成部分。 

在最新模拟技术的帮助下,运动员表现得更好,更擅长避免受伤,从而将他们的职业生涯扩展到了以前认为不可能的范围。通过仿真设计和验证防护设备的性能有助于确保竞争对手打破的唯一记录簿。