仿真技術在體育行業中的發展和應用

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2019年7月5日 15:34

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本文將說明CAE在過去20年中如何在體育和休閑產業中發展。通過汽車運動、水上運動、奧林匹克運動和裝備設計領域的適當CAE實例在設計過程中得到肯定。如今，通過采用現代CAE技術和方法，運動器材制造設計過程正在進行時間壓縮、增強和改造。例如賽車運動，他們通過對產品的不斷創新和解決方案的不斷需求推動了CAE行業向前發展。最后，將為涉及精英競賽，設備制造和培訓場景的應用程序提供體育CAE使用的一些未來趨勢。

在美國，體育產業的規模是電影產業的七倍，是汽車產業的兩倍。

圖1：運動中獲勝與失利的差異（2004年奧運會男子賽艇，2008年奧運會100米蝶泳）

隨著體育運動的勝利，以及隨之而來的對他們領域頂尖人士的崇拜和金錢，以毫米或毫秒為單位的性能提升受到高度重視。因此，現代工程技術越來越受到歡迎。正在利用任何可以提高個人績效或改進設備設計和功能的合法，具有成本效益的技術。

在任何體育運動中，通過創新設備設計和激進的新工程解決方案來幫助解決問題，只有通過更深入地了解與該運動相關的基礎物理和化學，才能擊敗對手。許多運動中一個顯而易見的改進領域是其中固有的運動器材的空氣動力學、流體動力學，并且在追求競爭優勢的過程中對新技術的開發是這些運動中工程技術進步的驅動力。

20世紀80年代有限元方法設計了美洲杯游艇（世界上最豐富的帆船賽事）的船體和附屬物，在20世紀90年代初一級方程式賽車（最富有的賽車運動部門）開始使用CFD和FEM來改進賽事。20世紀90年代中期，體育運動開始在同一時代與運動和休閑設備制造商一起使用CAE。基本上，通過應用CAE獲得良好投資回報率可以獲得競爭優勢的任何地方都被認為是合法的應用。

圖2：CFD在硬件進步的支持下增長，1990年至2010年的F1賽車使用CFD后的趨勢

圖3：現代CAD嵌入式賽車CFD模擬FloEFD模擬的Indy汽車的空氣動力學部件（由Voxdale提供）

Motor Sport是首批采用商用CFD工具獲得競爭優勢的專業運動之一；在20世紀80年代首次采用非粘性面板方法，然后在20世紀90年代初使用RANS平均的Navier-Stokes技術（見圖2和圖3）。實際上，可以說一級方程式一直是CFD技術創新的主要推動力，其中高性能計算和CFD技術的預處理增強正在為ANSYS FLUENT，CD-Adapco的CCM +以及后來的OpenFOAM產品開發。當然，一些世界上最大的數據中心已經發展到利用CFD在汽車運動中的力量，因為它相對于建造更多的風洞相對便宜和知識可擴展性（更多的工程師和更多的CFD等于更多的流量預測，大體上有線性縮放）。關于CAE在賽車運動中還需要做些多物理場仿真（例如FSI，滑水），瞬態超車和車輪操縱（以及戰術模擬）等，依然需要在賽車CFD社區的生產層面進行。

圖4：與雙美洲相關的結構和CFD模擬獲獎團隊Alinghi Boat（由ANSYS Inc.提供）

英國奧林匹克隊一直擅長一些技術主導的夏季奧林匹克運動，如帆船和劃船、騎自行車（1988年著名的GB蓮花自行車隊就是一個例子）。他們還招聘了“技術與創新”總監。該主任的任務是確定領先的英國技術，公司和組織，利用可轉換的技術，在英國已經出類拔萃的奧林匹克運動中為英國隊和精英運動員提供可衡量的競爭優勢和性能差異（成本效益）。

圖5：1988——2008年GB奧運獎牌獲獎次數

在2008年北京奧運會期間，英國體育績效總監系統已經完全融入其中，而技術和創新（特別是CFD工具）正在提供競爭優勢。在帆船，騎自行車（見圖6來說明空氣動力學改進如何幫助提供獎牌）和賽艇訓練方面，GB隊在他們各自的領域占主導地位，幫助重新奪回球隊80年來最好的獎牌，上升到聞所未聞的第四名在獎牌榜上有47枚獎牌，包括19枚金牌。

圖6：英國奧林匹克自行車隊2008年獎牌表現和示例自行車CFD應用領域

許多其他夏季和冬季奧林匹克運動也被稱為使用CAE進行性能提升，甚至包括殘奧會的輪椅比賽。

圖7：瑞典奧林匹克隊為FloEFD贏得夏季奧運芬蘭級帆船模擬獎牌

圖8：使用FloEFD Concurrent獲得了雪橇金牌

就夏季奧林匹克游泳而言，2008年的LZR Racer Swimsuit則是在ANSYS FLUENT CFD軟件的幫助下開發的（見圖9）為北京奧運會帶來了巨大的影響（最終規則改變禁止某些類型的全身泳衣）。通過使用CFD技術，Speedo能夠使他們的套裝在被動阻力方面比最好的2004套裝更好，并且游泳者在推出后平均整體速度提高了2％。 LZR賽車運動員在出現后的9個月內打破了前所未有的世界紀錄（超過70個）。超過90％的金牌得主和89％的獎牌獲得者在北京穿著這套服裝，這對所有其他有競爭力的服裝制造商都不利。教練們開始稱其使用“技術興奮劑”。事實上，所有運動員都有機會在比賽中穿著泳衣，而且在LZR Racer內沒有精英運動員的情況下，他們在水中的速度并不快。