威尔逊体育用品

在Wilson体育用品公司的复合网球拍设计过程中实施CAE

威尔逊体育用品公司是全球领先的高性能运动器材、服装和配件制造商之一。一个多世纪以来,威尔逊为打网球、高尔夫球、棒球、篮球、足球、足球、排球、垒球等运动的运动员创造、设计和生产运动器材,帮助数以百万计的人不断发展和享受运动。

在体育世界里,竞争是激烈的,运动员和他们的装备之间的关系是强大的:它可以是决定性的差异,并提供战胜对手的优势。有了这种动态关联,威尔逊实验室,威尔逊的创新中心,发明,设计和工程师改变游戏的产品,采用最先进的体育技术和专业知识。在其球拍运动业务中,威尔逊实验室的创新举措包括材料增强,机械增强,以及改变球拍的物理参数,以适应玩家游戏的发展趋势。


复合材料有限元分析探索

Wilson实验室的设计工程师探索了叠层复合材料的有限元分析(FEA)的发展,特别是可以应用于复合网球拍线的方法。他们对在网球拍的开发中利用模拟、自动化和优化技术来减少设计周期时间和提高产品价值感兴趣。与此同时,威尔逊实验室的工程师们对实现一些独特的或有机的几何外观感兴趣。

到目前为止,在球拍行业中,复合材料的有限元分析几乎是不存在的。然而,由于认识到其作为一种更好的铺层设计工具的优势,以及在重量、强度、刚度和简单性方面的优化,Wilson在应用该技术方面处于行业领先地位。

“我在Altair ProductDesign工作了大约一年时间,试图将HyperWorks中的一个网球拍的复合lay-up有限元模型与现实世界中的对应模型联系起来。牵牛星的知识、勤奋、快速反应和对细节的关注给我留下了深刻的印象。在研究结束时,我们能够在4%的误差内预测并验证至少四个重要的网球拍性能特征。我们相信,在未来的产品设计中,这将使我们在面向市场的速度方面具有优势。”

- Bob Kapheim, Wilson Labs设计工程师

网球拍在虚拟环境中的建模

在探索有限元分析的发展过程中,威尔逊实验室的设计工程师Bob Kapheim熟悉了牵牛星的HyperWorks®软件和牵牛星产品设计工程服务。他了解到,Altair ProductDesign团队可以为Wilson执行软件模拟和测试相关性,而不必首先对软件进行投资。

虽然复合材料模拟技术对于威尔逊实验室的球拍团队和一般的体育用品行业来说是相对较新的和先进的,但Altair已经在诸如航空航天等行业广泛地从事复合材料模拟方法的研究,这些行业一直在常规地使用该技术。有了这个成熟的产品和经验基础,对于牛郎星来说,将该技术应用到网球拍的复合模拟中是相当简单的。“据我所知,我们从未取得过像与牛郎星合作那样大的进展。我们知道牵牛星将是一个很好的合作伙伴,因为他们能够准确地演示他们的软件将如何为工程师工作——这对我们来说意义重大。他们与我们合作,展示他们的产品如何解决我们的问题。”

最初的工作是用一个有限元模型完成的,该模型基于所提供的几何图形,代表了网拍的外模线(OML),没有钻,没有抓握,没有把手。

层压板的建模保持在一个简化的水平。对于每一层,都要检查铺层文件以了解层位,然后对表面进行修剪和组织。指定了厚度,以及材料属性。载荷和边界条件也被应用。使用Altair的结构分析和优化软件OptiStruct®进行了一些分析,并验证了结果与物理测试数据的相关性。牵牛星的工程师成功地在虚拟环境中模拟了今天的网球拍。测试和分析表明,虚拟模型的行为与现实生活中的行为密切相关。

该项目激发了高度的信心,HyperWorks带来了在虚拟空间中建模网球拍所需的准确性,并且虚拟模拟作为一种资源远比手工技术更有效。


会议的指标

对于威尔逊实验室网球拍团队所期望的所有性能指标(质量、质心、动刚度、静刚度),结果显示误差百分比小于4%。质量误差在3%以内,质心误差在2%,频率为动刚度误差在1%,静刚度误差在4%,表明结果远远好于预期。

“我在Altair ProductDesign工作了大约一年时间,试图将HyperWorks中的一个网球拍的复合lay-up有限元模型与现实世界中的对应模型联系起来。牵牛星的知识、勤奋、快速反应和对细节的关注给我留下了深刻的印象。在研究结束时,我们能够在4%的误差内预测和验证至少四个重要的网球拍性能特征。我们相信,在未来的产品设计中,这将给我们带来快速推向市场的优势。”

HyperMesh复合网拍网

模拟静力试验,位移等值线

动态仿真试验,第一固有频率

类似球拍的威尔逊静态测试夹具