达索Abaqus仿真技术使人造草皮超越大自然

　　荷兰皇家天佳集团采用Abaqus来评估人造体育场地的实用性能

　　2008年7月14日, 北京

　　在足球场上采用人造草皮，已经得到了国际足联(FIFA)的认可。并且国际足联认为，相对于自然草皮来说，人造草皮有诸多优点，比如：色彩更好，更有利于运动员发挥技术，等等。实际上，人造草皮还可以应对更高的比赛强度，不易受恶劣天气的影响，而且维护简单。

　　但是国际足联对人造草皮的材料、内部构造、安装、试验和认证等都制定了详细的规范。草皮制造商需要努力提高其产品的性能和安全性，方能在这个市场的残酷竞争中胜出。

　　从纺织到高科技

　　皇家天佳(Royal TenCate)是一家有着三百年历史的荷兰公司，它是曾经兴旺一时的荷兰纺织业的奠基者之一。由荷兰王室所颁发的“皇家”荣誉，正是几个世纪以来公司成就的结晶。1970年代，随着亚洲势力进入自然纤维市场，天佳开始涉足合成纤维领域。目前，天佳的产品包括了人造草皮纤维等诸多运动场地用品，并且已经成为该领域的领导者。除此以外，公司还生产用于消防的特种纤维，用于飞机的轻质材料，用于隧道、帐篷、雨篷等的高强纤维。毫无疑问，所有这些产品的设计和生产都需要专业的工程技术来支持。

　　只要想一想草皮要承受多少次脚踢球砸，要经受多少种气象条件的轮番考验，再想一想它要适应多少种运动环境：足球，橄榄球，曲棍球……您就会理解对于草皮设计来说，专业技术有多么重要。而天佳就是要将所有这些因素融合起来，以设计并制造出一流的人造草皮。

　　人造草皮：不只是视觉

　　说起人造草皮所要满足的条件，人们首先会想到它的颜色：它当然应该是绿色的。但是只要稍加思索，您就会意识到更重要的因素在哪里：材料——足球需要软质的聚乙烯，橄榄球需要更牢固的涤纶;形状——原纤维还是单纤维;高度——高出场地表面多少;密度——每平方米的用量;强度和分散性能;等等。所有这些因素，都将影响到运动员的安全和技术发挥。

　　还不止于此，草皮之下看不见的部分同样关键：草皮纤维下端伸入由橡胶和热塑颗粒制成的填充物，这些填充物用于减震、控制弹性，并防止运动员滑倒时皮肤受伤。填充物之下是一层层的橡胶和沙子，最后6cm长的草尖插入底料。就像地毯一样，底料要平整，不允许有丝毫折叠、收缩或变形，即使温度、湿度和气象条件发生变化，也必须保证这一点。

　　更好的性能从有限元分析开始

　　天佳公司的草皮部门负责生产人造草皮的全部四种部件：纤维，填充物，底料，基料。“为了取得最优的性能，我们必须仔细调整各组分的比例。”天佳公司研发部门的全球经理，Martin Olde Weghuis，如是说，“我们生产出许多不同种类的聚乙烯草皮纤维，还有热塑填充材料，以及聚丙烯底料纤维。这些材料要协同工作，才能取得最满意的结果。”

　　Marco Ezendam是为天佳提供工程咨询服务的Reden公司的主管，他解释说：“运动场地是一个系统工程，它远不是单个组分相互叠加那么简单。如果希望场地有更好的性能，就得了解这个系统是怎样工作的，以及各组分之间关系如何。这就是我们采用有限元分析的原因。”

　　Reden公司为天佳提供产品设计和开发流程方面的咨询服务。他们采用的正是达索旗下SIMULIA品牌的有限元分析软件Abaqus。“我们最初选择Abaqus是因为它的材料模型非常丰富。”Ezendam说，“后来随着对求解可靠性的要求越来越高，我们发现Abaqus的功能也越来越强，总是能够满足需求。采用有限元分析，使得我们可以对各个组分的性能进行详细分析，并把它们统合起来以了解整个系统的情况。”

　　怎样模拟运动场地

　　建立人造草皮模型时，Reden公司将问题分成了几个不同的层次：微观——考虑单根纤维的属性;细观——考虑与纤维相互作用的填充颗粒;宏观——考虑球或者球员冲击场地的情形。“我们用有限元来模拟单个纤维的属性，再将其转换为一组纤维的属性，然后来预测球或球员与场地碰撞时的质量、弹力、阻尼等特性。”Ezendam说。

　　在Abaqus中建立草皮纤维的模型后即可对其进行弯曲分析。纤维的质量、形状、高度，等等，都可以多次修改然后重新试验，直到获得理想的特性为止。对于填充物来说，可以调整其形态、尺寸、材料、分布、摩擦和层厚，然后进行三轴压缩试验。在此基础上建立一整块草皮的模型，即将纤维、填充物和底料的特性全部计入，就可以评估其在虚拟足和弹性球作用下的受压性能。

　　人造运动员

　　足部仿真的目标是完全模拟国际足联所规定的真实试验，即著名的“人造运动员”。人造运动员的主要部件是一个圆盘，用来模拟运动员的脚，它通过一个受载的弹簧连接到场地上，就可以测量场地的响应。Reden公司有两个人造运动员：Berlin和Stuttgart。测量时，两位运动员在天佳室外试验场的人造草皮上走过，Berlin就会报告出圆盘上的最大载荷，而Stuttgart则报告出圆盘的位移。

　　Reden公司对人造运动员在人造草皮上的活动进行有限元分析，然后通过解读分析结果来评估草皮纤维、填充物和底料之间不同组合的性能，经过适当的修改就可以使人造草皮的户外试验性能达到最优。

　　采用类似的方法，建立一个有限元的壳模型，并在其中填充压强适当的空气，就可以模拟弹性球。作为对照，研究人员用真实的弹球做试验，然后通过修改参数使得有限元模型的行为与真实试验的数据相一致，这样得到的有限元模型就非常精确地反映了运动场上皮球的行为。

　　用有限元计算来满足国际足联的标准

　　建立计算模型后，Reden公司按照国际足联的标准参数进行了全面验证。他们运行Abaqus的硬件环境是：64位计算机，双CPU，8G内存，Linux 9.2操作系统。单个草皮纤维的模型很小，很容易建立，但是一个假足冲击一块草皮将涉及250,000个单元，大于2,000,000的自由度。“我们目前正在验证所有的模型，真实试验结果与有限元计算结果的对比将很快给出。”Ezendam说。

　　Reden公司计划用Abaqus对人造草皮进行深入的模拟，以支持天佳公司持续不断的产品设计和开发。今年夏天它们合作的一项成果就将面世：在北京奥运会的曲棍球项目中，您看到的将是由天佳提供的人造场地。

　　Reden/天佳案例图片及相关说明:

　　图1. 国际足联已在全球范围内认可了人造草皮，并为之建立了严格的设计和生产标准

　　图2. 人造草皮是一个复杂系统，包含了草皮纤维，填充物，底料。最后这些东西放在土或者沙地或者混凝土上。对不同的安装环境，要对各组分进行精心调配

　　图3. Reden公司的分析策略是从微观层次开始，即先用Abaqus建立单个人工纤维的有限元模型(如图)。质量、形状、受弯能力、高度以及所有其它特性都可以通过不断调整来取得期望的性能

　　图4. 橡胶或热塑填充物样品(左)和单个颗粒的有限元模型(右)

　　图5. 用于对草皮填充颗粒进行压缩试验的试验设备(左)和Abaqus有限元模型(右)。有限元用于模拟静水压力和压缩以预测材料属性，其结果要经真实试验检验

　　图6. 在Abaqus中将纤维和填充物试验的数据整合到场地模型中，就可以得到载荷(左)和位移(右)的有限元结果。该结果要经过人造运动员试验的检验

　　图7. 这是Abaqus有限元弹球模型，它显示了人造草皮填充物和纤维在足球撞击下的响应

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