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透過Ansys模擬應對 NFL 中頭盔衝擊的挑戰

  • 2022/10/25 0:0

作者:  Thierry Marcal, Program Director, Ansys

 

隨著美國國家橄欖球聯盟 (NFL) 球員中腦震蕩的增加以及對防止頭部受傷的日益關注,該組織發起了 NFL 頭盔挑戰賽,以創造更好的頭盔來承受來自不同角度的衝擊。為完成這項任務,加拿大的一組創新者組成了 KOLLIDE,在Ansys LS-DYNA的大力協助下,使用 Ansys 業界領先的模擬解決方案來迎接這一挑戰。

 

可信的顯式求解器並沒有讓人失望。KOLLIDE 憑藉其頭盔的創新和保護系統獲得了 NFL 的前三名獲獎者之一的位置,該系統採用 95 個護墊和底層的支持性 3D 列印矩陣結構。憑藉 550,000 美元的贈款資金來推進他們的原型,KOLLIDE 正在加班,計劃進一步升級頭盔並擴大製造過程。

 

KOLLIDE 橄欖球頭盔採用創新系統,使用 95 個襯墊來增強減震效果並更好地承受衝擊。

 

受到挑戰的啟發,先進製造公司 Kupol 召集了來自新創公司和利基公司的當地創新者,與蒙特利爾擁有數十年曆史的工程學院 École de technologie supérieure (ÉTS) 合作,共同尋求解決方案。

 

與 Kupol 一起,KOLLIDE 的陣容包括工業設計公司 Tactix、模擬公司 Numalogics 和軟體公司 Shapeshift 3D。

 

KOLLIDE 於 2020 年 11 月接受了挑戰,截止日期為一年,因大流行使12人團隊有10 個月無法直接見面,這本身又增加了一個挑戰。

鑑於面對面會議的限制,再加上原型製作的預算限制,該團隊轉向數位化,轉向虛擬設計和測試。將模擬作為一種協作工具來實施,不僅能在成員位置不同的情況下團結團隊,而且對於節省開發時間和成本至關重要。

 

此外,NFL 還提供了四種開源有限元 (FE) 頭盔模型以及相關的衝擊測試方法和設備。

 

“用於測試頭盔的台架測試是一種昂貴的設備,”Numalogics 的 KOLLIDE 研究協調員 Franck Le Naveaux 說。“使用 Ansys LS-DYNA 進行虛擬測試有助於提高我們的速度並降低與原型製作相關的成本。”

 

近 10 年來,Numalogics 一直與 Ansys 和 Ansys 精英渠道合作夥伴 SimuTech Group 合作。到目前為止,Numalogics 專家主要依靠隱式建模來模擬醫療設備及其與人體的交互影響,但是,要模擬頭盔撞擊,則需要顯式建模。每秒 9 公尺——NFL 頭盔測試協議中的最高衝擊速度——可能比使用 LS-DYNA 的典型模擬要慢,但比外科醫生用手做的要快得多。在挑戰之前,Numalogics 專家在使用Ansys Workbench進行更多靜態或結構模擬方面擁有豐富的經驗。

 

但由於原型本身的影響速度和組成,他們知道這項工作僅能選用顯式求解器。

 

“頭盔中使用的材料是相當複雜的材料”,Numalogics 的生物力學模擬研發專家 David Benoit 說。“能夠模擬高度非線性、粘彈性和應變率相關的材料是一項挑戰。Ansys LS-DYNA 已經擁有所有這些配置文件。

 

玩轉模擬

 

需要一種不同的建模方法來找到模型精度和求解時間之間的最佳平衡,以便快速迭代。該團隊制定了如何最好地表示晶格結構的策略,試圖了解如何對結構的每一面牆進行建模。儘管通過忠實地表示襯墊的晶格微觀結構的模擬預測結果是有希望的,但模擬整個頭盔需要太多的計算資源。作為一種解決方案,他們將晶格模型同質化以使用更少的計算資源。儘管如此,在開始時要分析 400,000 個元素,KOLLIDE 的模擬之旅肯定是不明確的。最終,每種類型的模擬衝擊在 16 個核心上運行了大約三個小時。模擬以三種不同的速度進行,以展示不同的影響。

 

KOLLIDE 頭盔由 95 個減震墊組成

 

KOLLIDE 將頭盔視為一個由兩個主要部分組成的系統:內襯和外殼,將面罩放在最後。模擬在系統的每個部分都發揮了作用,使團隊能夠測試多種類型的內襯和外殼特徵,同時降低後期設計失敗的風險。

 

“因為頭盔是一個系統,你不能在不影響整個頭盔的行為的情況下優化單個組件”Benoit 說。“我認為我們無法在沒有模擬的情況下為挑戰提供完全優化的頭盔。”

 

KOLLIDE 頭盔最重要的特點之一是其獨特的內襯,該內襯由網格填充的 3D 列印結構網格組成。這些網格吸收大量能量,使墊子具有相對於彼此的柔韌性和運動性,從而根據衝擊方向增強減震效果。此外,該小組還嘗試了不同的列印技術和材料,以考慮晶格結構在不同溫度下的表現和承受多種類型的影響。

 

Ansys LS-DYNA 和 3D 列印降低了物理原型製作成本並加速了產品開發

 

移動鏈條:下一步是什麼?

 

KOLLIDE 的最終產品看起來像普通頭盔,但具有突出其格子結構的先進功能,例如可定制的合身性。有 95 個減震墊安裝在與外殼一起懸掛的吊索上——模擬有助於改善能量分佈的區域。

 

“鑑於時間緊迫,如果不使用模擬,這個項目根本不可能實現。我們會提交一個頭盔,但不是一個好的頭盔,”Numalogics 的 KOLLIDE 研究協調員 Franck Le Naveaux 說。

 

“此外,隨著設計師使用電腦輔助設計 (CAD) 軟體,將概念帶給我們並對其進行測試,模擬對於高效的工作流程至關重要。”

 

儘管沒有球隊達到 NFL 的目標,但 KOLLIDE 的得分略高於預期的排名。頭盔的承諾是如此令人印象深刻,以至於該團隊與另外兩名決賽選手一起被選中,以獲得資金來推進他們的原型。

 

KOLLIDE 正為此做準備,專注於探索新概念和擴展 3D 列印,以更快的速度生產升級的頭盔,以實現 HPS 目標。根據贈款,NFL 將追蹤 KOLLIDE 的進度一年。團隊有六個月的時間提交一個新的原型,然後再有六個月的時間來生產一個先進的最終產品。

 

資料來源: Ansys Blog