HEAD Sport 公司采用仿真提供世界一流的网球球拍

1年前浏览3396

竞争激烈的网球装备市场非常注重设备性能，而且产品生命周期极为短暂。HEAD Sport 通过持续创新，运用先进的仿真技术不断提升性能，从而确保公司在这个市场始终立于不败之地。在过去，HEAD 的工程师使用试错法改进球拍设计，但构建和测试球拍原型所需的时间过长，物理测试提供的信息有限，从而影响了设计的改进。近来，HEAD 运用ANSYS 仿真技术能够在比以往短得多的时间内评估出虚拟原型，这不仅显著提高了性能，而且加快了创新步伐。HEAD的创新型设计帮助许多世界一流选手登上冠军奖台，比如 Novak Djokovic 使用YOUTEK™ IG SPEED MP 18/20 球拍在2011 年赢得三次大满贯锦标赛，登上世界排名第一选手的宝座。

克服强度和刚度挑战

网球拍设计需要解决的基本挑战之一是设计一种自身重量只有数百克，而其 76 个孔的每一个孔可以承受 200 牛顿，总共可以承受 15,200 万牛顿（合3,417 磅，一辆大型汽车的重量）的张力的拍框。HEAD 的开发人员通过采用经特殊加工具有正交各向异性的碳/ 玻璃纤维增强型聚合物（FRP）材料，提供了足够的刚度和强度，可满足球拍的性能及耐用性要求。另外，顶级选手发球速度高达250 公里/ 小时，能产生为时 3毫秒或 4 毫秒、峰值高达 600 牛顿的作用于拍弦的垂直力。在这短短瞬间，网球的速度从 0 加速到 250 公里/ 小时。HEAD 的工程师通过“力与时间”的函数关系，动态分析网球作用于拍弦上的力并进行仿真。在某些情况下，为简化计算，他们还把动力折算为静力。

以往的球拍设计方法的问题之一是在原型球拍通过刚度测试时，工程师无法掌握它距离折断有多远。采用 ANSYS Mechanical，HEAD 的工程师可以精确判断施加在复合板上每一层的应力，通过少量增减材料，确保在不浪费材料的情况下准确满足刚度要求。

如今HEAD 生产的拍框自重仅为200 克，但能够同时承受拍弦张力和网球的作用力。实际上，200 克的球拍对真正打网球来说太轻了，不过它可以让工程师自由地为球拍增添其它功能。

在弯曲负荷的作用下网球球拍拍柄区域。这种应力过高，所以工程师对设计进行了强化。

模态振型和频率

模态振型和频率在球拍设计中的作用正日趋变得重要，因为球拍“感”是通过振动传递到手上的。例如，曾有职业网球选手到访 HEAD，称他对专为他开发的球拍不满意，但又说不出原因。HEAD 的工程师使用 ANSYS Structural对球拍的模态振型和频率进行了评估，然后通过修改，使之手感合适。随着时间的推移，研究人员已经发现多种特定的模态振型和频率能够带来可靠的手感和稳定的球拍，所以他们能够从设计流程伊始就能够解决球拍的手感问题。

确保提议的球拍设计不会在正常使用中激发模态谐振，这一点也很重要。例如，拍弦的第一种振动模态一般在500 赫兹左右。工程师使用 ANSYS 软件对所提议的球拍设计的模态谐振进行分析，确保更高模态不会太贴近这个数值。更高的模态对球拍产生的声音有重大作用。HEAD 的工程师通过优化模态振型和频率，使球拍发出的声音能够给选手提供正确的反馈信息。

网球拍的护套是一个塑料配件，安装在球拍头部，用于防止磨损和冲击。护套先注塑成 2D 形状，然后在组装过程中弯折成复杂的 3D 形状。在加工该配件时施加有预应力，这样当其弯折成最终形状时，可将其固定到位。但如果施加的预应力过大，护套就会弯曲；过低，则会松弛。工程师使用 ANSYS Mechanical 仿真组装过程，确保对其只施加适当大小的预应力。

特定激发负荷下的谐振频谱分析。该频谱说明所有激发的固有模态最高不超过 2KHz。蓝色代表中心拍弦，紫色代表中心以外的拍弦。

通过护套仿真，发现将其固定在拍框上的最恰当的预应力水平。

设计优化

HEAD 的工程师最初开始使用仿真技术时，他们先要评估一个设计迭代，然后根据评估结果修改设计，最后再运行新的仿真。这样一来，评估每一个设计迭代的性能大约需要一星期。如今，HEAD 工程师常常使用一种采用通用算法的非线性优化程序来生成多个设计迭代，然后通过批处理方式自动进行ANSYS Mechanical 仿真，以确定最佳解决方案。此技术一般只是为了发现具有最高强度和刚度，能够满足其它设计约束的最轻型球拍结构。近来，工程师运用这项优化技术，在大约一周内就完成了 100 万种设计概念的评估，以改善复合材料设计。这种能力可以确保分析如此大量设计备选方案，将性能优化提高到了前所未有的高水平。该优化程序经常能发现与传统设计方法相去甚远甚至设计小组从未想到过的设计概念。

HEAD 已经制定出了一系列高难度的用于测量刚度和强度的质量测试。每一个球拍在进入市场之前都必须通过严格的质量测试。例如，球拍必须通过混凝土跌落测试而不受损。HEAD 的设计小组已经开发出一系列 ANSYS 参数设计语言（APDL）脚本，用于自动仿真新设计的每一项测试。脚本导入球拍的 CAD模型，生成 FE 网孔，进行五次测试，然后生成详尽的结果报告。这些脚本使工程师能够从质量的角度迅速方便地评估出每一项被提议的设计，所有评估工作都在产品开发流程的早期阶段完成。

在过去十年中，仿真对 HEAD 的网球球拍性能大幅提升，打造出如今出色的性能和耐用性，发挥了重大作用。HEAD 工程师凭借丰富的经验，加上 ANSYS Mechanical 提供的准确而详细的信息，能够设计出在发球过程中可承受拍弦张力和网球对球拍的作用力所带来的巨大力量的最轻型球拍。工程师还使用 ANSYS Mechanical 定制其它性能特性，比如球拍产生的振动和声音。Djokovic 等选手手中挥舞的球拍的性能可以见证这一点。他在连续击败多名世界顶级选手之后，被视为有史以来最伟大的网球选手。