在足球場上采用人造草皮,已經(jīng)得到了國際足聯(lián)(FIFA)的認(rèn)可。并且國際足聯(lián)認(rèn)為,相對于自然草皮來說,人造草皮有諸多優(yōu)點(diǎn),比如:色彩更好,更有利于運(yùn)動員發(fā)揮技術(shù),等等。實(shí)際上,人造草皮還可以應(yīng)對更高的比賽強(qiáng)度,不易受惡劣天氣的影響,而且維護(hù)簡單。

    但是國際足聯(lián)對人造草皮的材料、內(nèi)部構(gòu)造、安裝、試驗(yàn)和認(rèn)證等都制定了詳細(xì)的規(guī)范。草皮制造商需要努力提高其產(chǎn)品的性能和安全性,方能在這個市場的殘酷競爭中勝出。

    從紡織到高科技

    皇家天佳(Royal TenCate)是一家有著三百年歷史的荷蘭公司,它是曾經(jīng)興旺一時的荷蘭紡織業(yè)的奠基者之一。由荷蘭王室所頒發(fā)的“皇家”榮譽(yù),正是幾個世紀(jì)以來公司成就的結(jié)晶。1970年代,隨著亞洲勢力進(jìn)入自然纖維市場,天佳開始涉足合成纖維領(lǐng)域。目前,天佳的產(chǎn)品包括了人造草皮纖維等諸多運(yùn)動場地用品,并且已經(jīng)成為該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。除此以外,公司還生產(chǎn)用于消防的特種纖維,用于飛機(jī)的輕質(zhì)材料,用于隧道、帳篷、雨篷等的高強(qiáng)纖維。毫無疑問,所有這些產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)都需要專業(yè)的工程技術(shù)來支持。

    只要想一想草皮要承受多少次腳踢球砸,要經(jīng)受多少種氣象條件的輪番考驗(yàn),再想一想它要適應(yīng)多少種運(yùn)動環(huán)境:足球,橄欖球,曲棍球……您就會理解對于草皮設(shè)計來說,專業(yè)技術(shù)有多么重要。而天佳就是要將所有這些因素融合起來,以設(shè)計并制造出一流的人造草皮。

    人造草皮:不只是視覺

    說起人造草皮所要滿足的條件,人們首先會想到它的顏色:它當(dāng)然應(yīng)該是綠色的。但是只要稍加思索,您就會意識到更重要的因素在哪里:材料——足球需要軟質(zhì)的聚乙烯,橄欖球需要更牢固的滌綸;形狀——原纖維還是單纖維;高度——高出場地表面多少;密度——每平方米的用量;強(qiáng)度和分散性能;等等。所有這些因素,都將影響到運(yùn)動員的安全和技術(shù)發(fā)揮。

    還不止于此,草皮之下看不見的部分同樣關(guān)鍵:草皮纖維下端伸入由橡膠和熱塑顆粒制成的填充物,這些填充物用于減震、控制彈性,并防止運(yùn)動員滑倒時皮膚受傷。填充物之下是一層層的橡膠和沙子,最后6cm長的草尖插入底料。就像地毯一樣,底料要平整,不允許有絲毫折疊、收縮或變形,即使溫度、濕度和氣象條件發(fā)生變化,也必須保證這一點(diǎn)。

    更好的性能從有限元分析開始

    天佳公司的草皮部門負(fù)責(zé)生產(chǎn)人造草皮的全部四種部件:纖維,填充物,底料,基料。“為了取得最優(yōu)的性能,我們必須仔細(xì)調(diào)整各組分的比例?！碧旒压狙邪l(fā)部門的全球經(jīng)理,Martin Olde Weghuis,如是說,“我們生產(chǎn)出許多不同種類的聚乙烯草皮纖維,還有熱塑填充材料,以及聚丙烯底料纖維。這些材料要協(xié)同工作,才能取得最滿意的結(jié)果?！?

    Marco Ezendam是為天佳提供工程咨詢服務(wù)的Reden公司的主管,他解釋說:“運(yùn)動場地是一個系統(tǒng)工程,它遠(yuǎn)不是單個組分相互疊加那么簡單。如果希望場地有更好的性能,就得了解這個系統(tǒng)是怎樣工作的,以及各組分之間關(guān)系如何。這就是我們采用有限元分析的原因?！?

    Reden公司為天佳提供產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)流程方面的咨詢服務(wù)。他們采用的正是達(dá)索旗下SIMULIA品牌的有限元分析軟件Abaqus。“我們最初選擇Abaqus是因?yàn)樗牟牧夏Ｐ头浅ＸS富?！盓zendam說,“后來隨著對求解可靠性的要求越來越高,我們發(fā)現(xiàn)Abaqus的功能也越來越強(qiáng),總是能夠滿足需求。采用有限元分析,使得我們可以對各個組分的性能進(jìn)行詳細(xì)分析,并把它們統(tǒng)合起來以了解整個系統(tǒng)的情況?！?

    怎樣模擬運(yùn)動場地

    建立人造草皮模型時,Reden公司將問題分成了幾個不同的層次:微觀——考慮單根纖維的屬性;細(xì)觀——考慮與纖維相互作用的填充顆粒;宏觀——考慮球或者球員沖擊場地的情形?！拔覀冇糜邢拊獊砟M單個纖維的屬性,再將其轉(zhuǎn)換為一組纖維的屬性,然后來預(yù)測球或球員與場地碰撞時的質(zhì)量、彈力、阻尼等特性?！盓zendam說。

    在Abaqus中建立草皮纖維的模型后即可對其進(jìn)行彎曲分析。纖維的質(zhì)量、形狀、高度,等等,都可以多次修改然后重新試驗(yàn),直到獲得理想的特性為止。對于填充物來說,可以調(diào)整其形態(tài)、尺寸、材料、分布、摩擦和層厚,然后進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上建立一整塊草皮的模型,即將纖維、填充物和底料的特性全部計入,就可以評估其在虛擬足和彈性球作用下的受壓性能。

    人造運(yùn)動員

    足部仿真的目標(biāo)是完全模擬國際足聯(lián)所規(guī)定的真實(shí)試驗(yàn),即著名的“人造運(yùn)動員”。人造運(yùn)動員的主要部件是一個圓盤,用來模擬運(yùn)動員的腳,它通過一個受載的彈簧連接到場地上,就可以測量場地的響應(yīng)。Reden公司有兩個人造運(yùn)動員:Berlin和Stuttgart。測量時,兩位運(yùn)動員在天佳室外試驗(yàn)場的人造草皮上走過,Berlin就會報告出圓盤上的最大載荷,而Stuttgart則報告出圓盤的位移。

    Reden公司對人造運(yùn)動員在人造草皮上的活動進(jìn)行有限元分析,然后通過解讀分析結(jié)果來評估草皮纖維、填充物和底料之間不同組合的性能,經(jīng)過適當(dāng)?shù)男薷木涂梢允谷嗽觳萜さ膽敉庠囼?yàn)性能達(dá)到最優(yōu)。

    采用類似的方法,建立一個有限元的殼模型,并在其中填充壓強(qiáng)適當(dāng)?shù)目諝?就可以模擬彈性球。作為對照,研究人員用真實(shí)的彈球做試驗(yàn),然后通過修改參數(shù)使得有限元模型的行為與真實(shí)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)相一致,這樣得到的有限元模型就非常精確地反映了運(yùn)動場上皮球的行為。

    用有限元計算來滿足國際足聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)

    建立計算模型后,Reden公司按照國際足聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行了全面驗(yàn)證。他們運(yùn)行Abaqus的硬件環(huán)境是:64位計算機(jī),雙CPU,8G內(nèi)存,Linux 9.2操作系統(tǒng)。單個草皮纖維的模型很小,很容易建立,但是一個假足沖擊一塊草皮將涉及250,000個單元,大于2,000,000的自由度?！拔覀兡壳罢隍?yàn)證所有的模型,真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果與有限元計算結(jié)果的對比將很快給出?！盓zendam說。

    Reden公司計劃用Abaqus對人造草皮進(jìn)行深入的模擬,以支持天佳公司持續(xù)不斷的產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)。今年夏天它們合作的一項成果就將面世:在北京奧運(yùn)會的曲棍球項目中,您看到的將是由天佳提供的人造場地。