穿出成功——工程師利用ANSYS技術(shù)開發(fā)速比濤Fastskin比賽套裝

2016-11-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在過去十年中,速比濤利用計算流體動力學(xué)(CFD)改進競賽泳裝的性能,公司的研發(fā)投入結(jié)出了豐碩的成果。

速比濤與ANSYS 的合作獲得了豐富的開發(fā)成果,其中就包括具有突破意義的Speedo LZR RACER® 套裝。在優(yōu)化這款泳裝的過程中,速比濤使用ANSYS Fluent CFD 軟件預(yù)測伸展滑行姿態(tài)下游泳選手身體四周的流體流動,以確定哪些區(qū)域可能產(chǎn)生阻力影響。在2008 年北京夏季奧運會上,有47 塊游泳金牌以及89% 的游泳獎牌都是由身著速比濤LZR RACER 泳衣的運動員奪得的。

2008 年以來,速比濤的研發(fā)工作已經(jīng)超越了泳衣的范疇。公司內(nèi)部的全球研發(fā)機構(gòu)Aqualab® 將ANSYS 仿真軟件的使用范圍進行了擴展,進一步利用該軟件對游泳選手的泳帽和泳鏡進行優(yōu)化,從而開發(fā)出了一套完整產(chǎn)品,為公司贏得了更強的競爭優(yōu)勢。這種結(jié)合多年研發(fā)成果的產(chǎn)品就是Fastskin3 比賽套裝。

世界性突破

2011 年底,速比濤最新的泳裝創(chuàng)新產(chǎn)品Fastskin3 首次亮相。這是一種集泳帽、泳鏡和泳衣于一體的革命性比賽套裝。根據(jù)研究,運動員穿戴這套產(chǎn)品時,全身的被動阻力最高可降低16.6%,氧氣經(jīng)濟性提高11%,身體主動阻力可降低5.2%。

速比濤Aqualab 實驗室的負責人Tom Waller 博士表示:“工程仿真為這款世界領(lǐng)先產(chǎn)品的問世做出了重要貢獻。游泳運動員歷史上首次穿著符合流體動力學(xué)原理的全套泳裝,以最高的效率在泳池中劈波斬浪?！?

在設(shè)計Fastskin3 比賽套裝的過程中,Aqualab 利用ANSYS 多物理場軟件以及90 多張人頭掃描圖像執(zhí)行1200多次單獨的仿真以獲得實驗所需的數(shù)據(jù)。這些仿真揭示了良好的擬合對于優(yōu)化流體動力學(xué)性能的重要意義。因此Aqualab 團隊在游泳套裝設(shè)計過程中采用了一種被稱為擬合點標簽的最新解剖學(xué)標記系統(tǒng),用于識別泳帽、泳鏡和泳衣上的擬合點,從而使游泳套裝能夠理想地貼合在人體表面。這樣,不僅能最大限度提高舒適度,還能將阻力降到最低。

Waller 表示,ANSYS 的CFD 軟件在開發(fā)這三個組件的過程中起到了重要作用?！岸嗄暌詠?ANSYS 一直是速比濤Aqualab 小組的重要技術(shù)合作伙伴和顧問。在開發(fā)Fastskin3 比賽套裝時,ANSYS 提供的軟件讓我們有理由相信我們的設(shè)計能夠在實際使用中發(fā)揮出預(yù)期的性能。同時幫助我們節(jié)省了大量的資源——而在過去我們不得不將這部分資源用來進行物理測試?！?

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在分析現(xiàn)有泳鏡(左)和新一代設(shè)計(右)的近面流速場時,速比濤的工程人員能夠立即看到流體動力學(xué)性能方面的改善。

眺望未來

在目睹了流體動力學(xué)泳衣在2008 年幫助游泳選手取得輝煌成績后,Aqualab小組開始探索如何將相同的原理應(yīng)用在泳鏡等其他技術(shù)裝備上。

第一步,Aqualab 小組成員對現(xiàn)有速比濤泳鏡的流體動力學(xué)性能進行研究。將現(xiàn)有泳鏡的CAD 裝配體導(dǎo)入ANSYS DesignModeler 進行清理,為表面網(wǎng)格剖分做好準備。然后采用Optimal Solutions 的Sculptor? 形變技術(shù)將泳鏡的表面網(wǎng)格覆蓋在運動員全3D 掃描面部輪廓上。隨后使用ANSYS Tgrid 為復(fù)雜的面部器官表面生成穩(wěn)定可靠的棱柱層,并耦合到高效、高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格上。

在穩(wěn)定滑動條件下進行的初步仿真表明:泳鏡上的局部力會形成嚴重的受力“尖峰”,從而影響下游流場的均勻性?，F(xiàn)有泳鏡設(shè)計形成的紊流條件會給游泳選手的游行速度造成不利影響。

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從模擬入水動作的自由表面仿真中,研究人員認識到現(xiàn)有的泳鏡設(shè)計會產(chǎn)生嚴重的氣泡,而且會造成紊流,給游泳選手的下游表現(xiàn)造成不利影響。

深入挖掘性能

在Aqualab 掌握了泳鏡設(shè)計的液力學(xué)影響后,該小組啟動了一個由仿真驅(qū)動的開發(fā)和優(yōu)化流程。

該流程需要在游泳比賽的動態(tài)條件下測試新一代泳鏡設(shè)計,泳鏡需要承受來自各個方向的壓力,包括入水時產(chǎn)生的高沖擊力。為了更加全面地掌握新泳鏡的實際性能,開發(fā)小組使用ANSYS Fluent 仿真游泳選手的入水過程。

自由表面仿真體現(xiàn)了新泳鏡設(shè)計的兩大性能特點。首先與現(xiàn)有泳鏡相比,新泳鏡的沖擊力要小得多。其次,新泳鏡產(chǎn)生的氣泡數(shù)量要少得多,從而可以減輕紊流,減少對選手下游表現(xiàn)的不利影響。Aqualab 小組認為這種瞬態(tài)自由表面仿真對掌握新泳鏡設(shè)計的真正潛力具有重要意義。

在后續(xù)的參數(shù)仿真中,Aqualab小組成員對新一代泳鏡的整體設(shè)計進行了優(yōu)化,以確保符合法規(guī)規(guī)定并實現(xiàn)最大流體動力學(xué)效率。該小組測試了泳鏡設(shè)計的結(jié)構(gòu)響應(yīng),使用ANSYS DesignModeler 和ANSYS Mechanical對多種聚合物材料進行評估。研究人員還利用ANSYS Workbench 平臺確保設(shè)計的可靠性。

Waller 表示:“ANSYS 軟件的參數(shù)和多物理場分析功能有助于我們的團隊迅速找出問題答案,優(yōu)化最新泳鏡設(shè)計的契合度,掌握每個單獨組件的影響。這是我們第一次將結(jié)構(gòu)分析納入開發(fā)流程,并利用該功能發(fā)掘具有足夠強度的輕質(zhì)材料,使泳鏡能夠承受入水和其他高強度沖擊的影響。”

Aqualab 工程仿真結(jié)束后,作用在新泳鏡上的沖擊力與速比濤傳統(tǒng)泳鏡設(shè)計相比降低了60% 以上。

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速比濤利用ANSYS DesignModeler優(yōu)化新一代泳鏡的總體外形,包括透鏡與眼睛的相對位置、鼻梁架設(shè)計和契合度、側(cè)壁組成以及泳鏡密封性。上圖為泳鏡的CAD設(shè)計圖。

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從左至右:速比濤Super Elite和Elite泳鏡的性能與現(xiàn)有的Aquasocket泳鏡相比得到了顯著提高。

為速度而努力

在優(yōu)化泳鏡的同時, 速比濤Aqualab 設(shè)計人員還著重對游泳選手比賽中所戴的泳帽進行研究。

工程師首先對90 個頭部掃描圖像進行分析,用以研究泳帽在實際佩戴時的變化。研究小組利用收集到的數(shù)據(jù)確定不同泳帽形狀的特征——泳帽形狀主要由佩戴者包裹頭發(fā)的方式?jīng)Q定。然后通過修改參考模型來復(fù)制掃描研究中確定的典型泳帽形狀,用以評估頭型變化造成的阻力影響。

這些初步仿真工作說明:通過優(yōu)化泳帽內(nèi)頭發(fā)的位置,可以將總體阻力降低1.7%。這項研究使速比濤的設(shè)計人員開發(fā)出一種全新的發(fā)型管理系統(tǒng)。這種新產(chǎn)品與泳帽配套使用,能確保頭發(fā)處于理想的位置,從而最大程度降低阻力。

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使用ANSYS Fluent進行的CFD仿真顯示出嚴重的流場擾動和流體阻力,這是由泳帽形狀缺陷所導(dǎo)致的。

系統(tǒng)研究法

新款泳帽和泳鏡的設(shè)計與新款泳衣的設(shè)計配套進行,而且泳衣設(shè)計符合國際泳聯(lián)(FINA)2010 年修訂版指南的要求。最新指南要求泳衣的身體覆蓋面積要小于上一代的全身式泳衣。

根據(jù)對男女游泳選手伸展滑行姿勢的掃描結(jié)果,開發(fā)人員得到了45 種泳衣、泳帽和泳鏡組合,其中包含現(xiàn)有的、替代的和經(jīng)過優(yōu)化的原型設(shè)計。

使用由腳本驅(qū)動的ANSYS Tgrid 封裝器和體積網(wǎng)格剖分技術(shù)可以迅速對高分辨率的掃描圖像進行預(yù)處理,然后分別送到ANSYS Fluent 和ANSYS CFDPost進行分析和后期處理。

仿真可以體現(xiàn)典型的真實游泳條件。Aqualab 的設(shè)計人員可以根據(jù)性能結(jié)果確定最佳的泳衣、泳帽和泳鏡組合,還能為每個組件建立獨立的性能指標。

開發(fā)人員根據(jù)全身仿真結(jié)果對泳鏡進行持續(xù)改進, 最終得到了Fastskin3Super Elite 和Elite 泳鏡設(shè)計。泳鏡局部作用力的顯著下降使得總體性能提升2%。另外它還能提高沖擊水面時的舒適度,使泳鏡在高速度、高強度比賽條件下佩戴起來更加牢固和安全。

最終的產(chǎn)品開發(fā)工作完成后,Aqualab 聘請專業(yè)游泳選手在泳池中對新泳衣、泳帽和泳鏡進行了一系列測試,包括美國的邁克爾? 菲爾普斯、英國的Rebecca Adlington 和美國的Ryan Lochte。

在測試過程中,菲爾普斯表示:“速比濤Fastskin3 讓我感到完全和水融為一體。我感到信心十足,非常舒適,這是速度最快的泳裝。”

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仿真真實的游泳條件,用以測試各種泳帽、泳鏡、泳衣組合的效果,建立用于指導(dǎo)游泳套裝設(shè)計工作的性能參考體系。

繼續(xù)改進

游泳比賽套裝的開發(fā)標志著Aqualab 的設(shè)計人員首次超越CFD 分析,融合了包含結(jié)構(gòu)分析的多物理場方法。根據(jù)Waller 的介紹,這種經(jīng)強化后的仿真方法能夠優(yōu)化更多產(chǎn)品,與速比濤目前豐富的產(chǎn)品組合相匹配。

Waller 還提到:“2008 年,速比濤建立了低摩擦流體動力學(xué)泳衣的統(tǒng)治地位。今后我們準備根據(jù)游泳選手的全身整體需求,開發(fā)全面的系列產(chǎn)品以實現(xiàn)整體性能和速度的最大化。Fastskin3 游泳套裝是一種革命性成果,我們將繼續(xù)利用ANSYS 解決方案實現(xiàn)更加出眾的產(chǎn)品性能改善。不管游泳選手的需求是什么,都可以通過速比濤得到滿足,而速比濤則依靠ANSYS 技術(shù)推動產(chǎn)品的持續(xù)創(chuàng)新?！?

盡管Natalie Coughlin(美國)等職業(yè)游泳選手在打破世界記錄的時候,可能不會想到計算機仿真,但他們都承認科技所帶來的巨大優(yōu)勢。Coughlin 表示:“速比濤Fastskin3 是一種從頭到腳協(xié)調(diào)發(fā)揮作用的完整套裝。雖然泳鏡、泳帽和泳衣是獨立組件,但我感覺這款游泳套裝非常出眾?！?

不管將來會發(fā)生什么情況,有一件事是確定的:ANSYS 和速比濤之間的合作關(guān)系將繼續(xù)成為泳裝創(chuàng)新的推動力。

Waller 表示:“2004 年以來我們推出了一系列創(chuàng)新成果,但如果沒有ANSYS 軟件的設(shè)計分析和驗證功能,這些都無法實現(xiàn)。ANSYS 已經(jīng)成為我們的關(guān)鍵合作伙伴,幫助我們推出了眾多突破性產(chǎn)品,比如最新的Fastskin3 比賽套裝。我堅信這種合作將繼續(xù)推動創(chuàng)新,影響游泳競賽的未來?！?