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世界杯中的CAE仿真

本次世界杯中,“科技改变足球”的趋势更加显著——大数据预测、全新的足球制造工艺、带芯片的智能足球、门线判定技术、视频辅助裁判等高科技手段的应用,对球员行为和裁判判罚都产生了重要影响。

对于广大的足球迷兼工程师们,除了看球星的颜值和精彩表演外,还可以了解一些运动场上的CAE黑科技,也许能启发平时工作的设计灵感的哦。

比如,世界杯用球“电视之星”,仅用6块皮拼接,使用了立体球面,足球更圆,且内置了NFC芯片。基于ANSYS CFD,可以对 “电视之星18”足球的空气动力学特性进行仿真,分析电梯球、香蕉球的飞行特性,减少守门员“黄油手”的出错概率。

比如,植入芯片的智能足球,在训练时,可以捕捉球员的踢球部位、踢球力度、踢球角度,经过电脑运算可以实时反馈足球的飞行轨迹、飞行速度。

也就是说,C罗踢出的任意球,速度多快、角度如何、会不会进球,是可以靠芯片反馈的信息实时仿真得出的,电脑比C罗本人都更了解他的踢球习惯哦。

比如,本届世界杯终于采用了门线技术,避免了进球冤案的重演。而将芯片植入足球,再基于电磁场感应的门线技术,可以用于判断足球是否进了球门,而且比基于摄像头的门线技术更精确、更实时哦!

在足球运动器材领域,NIKE制造的护腿板,内部结构是这样的,更轻便、更耐踢,巴西的内马尔同学别着急回家,这款产品了解一下。

对于足球鞋,各家运动鞋制造商都在大力开发基于新材料的轻量化结构,运用拓扑优化技术,甚至生产了3D打印球鞋,鞋底更轻、更强。有趣的是,NIKE在新款足球鞋Magista 2的新闻发布会中,特意用了“有限元”的高科技术语,来标榜鞋子的科技含量:“新一代球鞋,由于在鞋底使用了名为Finite Element Analysis的分析技术,因此在整体重量上比上一代要轻30%。从实际球员的体验来说,球鞋给人的感觉就像是一双厚袜子。”

比如,C罗穿的这双酷炫的Nike球鞋,其鞋底加强筋的布置和鞋钉的形状,是专门针对球员的踢球习惯做了结构优化设计和刚度加强的,在变向、启动和转身时给予球员更灵活迅速的反馈。

比如,法国球星格里兹曼的PUMA球鞋,其鞋底的加强筋和鞋钉设计是这样的。至于哪种设计更能发挥球员能力,笔者真不好说。

在体育场设施上,CAE仿真就是更不可或缺的角色了。下图中的上届世界杯巴西利亚体育场,其屋顶直径达309米,是世界上最大的圆形屋盖之一。设计过程中使用ANSYS CFD进行了风工程仿真,计算规模达1.2亿自由度,使用了HPC的高性能并行计算,一次模拟计算仅需四小时完成。通过风荷载计算,可以明确体育场的风荷载分布、风的正压和负压等关键数据,保障了结构的安全性。

此外还利用ANSYS Mechanical进行了结构力学分析,使用了10万梁单元和壳单元建立结构动力学模型。基于预应力模态分析的结果,结构一阶模态为扭转模态(0.5Hz),此外弯曲模态也能满足工程要求。

最后,再次友情提醒,偶尔熬夜看球之余,也要注意休息调整哦,保重身体才是第一生产力。

自主CAE涅槃之火

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