一种基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法，包括：通过3D扫描建模设备建立冰球护腿模型；将冰球护腿模型导入有限元分析软件中，基于冰球护腿的实际使用场景建立场景模型；设置材料参数并进行网格划分；将场景模型与冰球护腿模型进行模型耦合，设置冰球护腿内部及冰球护腿与冰球、界墙和冰球杆的接触条件、边界条件及分析设置条件；基于显式动力学分析理论，结合不同工况下的仿真参数，模拟冰球运动员在竞技中腿部碰撞时护腿的碰撞应力影响过程，得到应力云图和应力变化曲线；基于应力云图和应力变化曲线，判断不同碰撞参数对冰球护腿的影响。采用本发明专利技术的技术方案可得到更符合现实情况的实验结果，提高仿真结果的可信度。真结果的可信度。真结果的可信度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法


[0001]本专利技术涉及仿真
，特别涉及一种基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法。

技术介绍

[0002]冰雪运动有着较为悠久的发展历史，近年来，随着冰雪运动的快速普及，人们对冰雪护具性能的要求日渐提高。传统的护具性能检测方法通常需要根据性能指标搭建特定试验装置，整个试验周期的时间跨度较大，所消耗的经济成本较高，且容易受到现场设备因素的影响，难以得到稳定且精确的结果，仿真分析技术在很大程度上解决了传统检测方法的弊端，但由于仿真对象的不同也存在很多设计问题，因此有待进一步的研究与改进。
[0003]冰球护腿在与物体发生碰撞时，二者相对速度和角度的大小影响了碰撞区域应力的分布情况，而决定护腿性能表现的主要因素为护具的材料，针对冲击碰撞对材料性能的影响，诸多专家对相关问题开展了研究。
[0004]一种针对CFRP层合板的仿真方法(王景东,潘静雯,张芝芳,等.CFRP层合板的二次低速冲击及剩余压缩强度试验研究[J/OL].材料导报,2023(12):1
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17.)是采用落锤法对CFRP层合板结构的相同位置进行了单次和二次低速冲击，由此分析单次和二次冲击对CFRP层合板的动力响应、能量吸收、损伤情况和剩余强度的影响，然而该方法更侧重于冲击次数对CFRP层合板的影响，没有进一步对冲击角度和速度进行分析试验，并且依赖于已有的试验设备，可能会出现试件损坏的情况。利用有限元方法进行仿真是目前的一大研究热点。一种针对复合层压板的仿真方法(Zhou J,Wen P,Wang S.Numerical investigation on the repeated low
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velocity impact behavior of composite laminates[J].Composites Part B:Engineering,2020,185:107771.)通过ABAQUS/Explicit软件建立了层压板的有限元模型，基于此模型对层压板在不同能量下的反复冲击下的整体力学响应进行了有限元分析。该方法一定程度上解决了对试验设备的依赖问题，并且效率更高，避免了重复试验下对试件的损耗，但同样该方法更侧重于冲击次数的影响，没有考虑冲击速度和角度的影响，并且模型复杂度较低无法模拟实际物体的碰撞情况。另有一种针对碳/环氧树脂胶带准各向同性层压板的仿真方法(Cui Q,Yang J.Evaluation of numerical simulation methods and ice material models for intermediate
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velocity hail impact simulation[J].Engineering Structures,2021,244:112831.)通过ANSYS/LS
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DYNA软件分析了高速冲击对碳/环氧树脂胶带准各向同性层压板的影响，通过在两种不同撞击角和较宽的速度范围下的撞击实验，利用残余速度和损伤面积评价了弹丸动能对层合板响应的影响。该方法考虑了冲击速度和角度的影响，并且是利用有限元分析软件进行仿真分析，具有效率高、精度高等优点，但是建立的有限元模型的复杂度较低，无法合理模拟出实际场景下采用该材质物体的使用情况。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法，目的在于提供一种建模过程工作量小、效率高、更贴近实际使用场景的冰球护腿动力学性能仿真方法，以解决传统的材料性能实验中，由于需要搭建特定试验装置，整个试验周期的经济成本较高，且试件会随试验次数的增加而产生损耗，难以得到较稳定的结果，而作为改进的利用仿真技术的分析方法，在对具有复杂曲面的试件进行建模时任务量巨大，建模过程中往往会有所缺憾，且大多集中于对单一参数的仿真模拟，难以较全面的分析试件的动力学性能的技术问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：
[0007]一种基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法，包括：
[0008]通过3D扫描建模设备建立冰球护腿模型；
[0009]将所述冰球护腿模型导入有限元分析软件中，基于冰球护腿的实际使用场景，建立场景模型；其中，所述场景模型中包括冰球、界墙和冰球杆的模型；
[0010]设置各模型的材料参数，并对各模型进行网格划分；
[0011]将所述场景模型与所述冰球护腿模型进行模型耦合，设置冰球护腿内部以及冰球护腿与冰球、界墙和冰球杆的接触条件、边界条件以及分析设置条件；
[0012]基于显式动力学分析理论，结合不同工况下的仿真参数，模拟冰球运动员在竞技中腿部碰撞时护腿的碰撞应力影响过程，得到应力云图和应力变化曲线；
[0013]基于所述应力云图和应力变化曲线，判断不同碰撞参数对冰球护腿的影响。
[0014]进一步地，所述通过3D扫描建模设备建立冰球护腿模型，包括：
[0015]将真实的冰球护腿通过3D扫描建模设备进行扫描建模，得到实体模型；
[0016]对所述实体模型中不影响计算精度的细节进行简化处理，并忽略和删除部分非必要结构，以对所述实体模型进行简化，得到最终的冰球护腿模型。
[0017]进一步地，所述有限元分析软件为ANSYS Workbench软件；将所述冰球护腿模型导入有限元分析软件中，基于冰球护腿的实际使用场景建立场景模型，包括：
[0018]将所述冰球护腿模型数据文件转存为“.stp”文件；
[0019]选择ANSYS Workbench软件中的LS
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DYNA模块，由LS
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DYNA模块中的Geometry模块对冰球、界墙和冰球杆进行直接建模；其中，冰球尺寸采用与真实尺寸1:1模拟建模，界墙和冰球杆在满足仿真需求的前提下进行部分建模。
[0020]进一步地，所述设置各模型的材料参数，并对各模型进行网格划分，包括：
[0021]设置各模型材料的密度、杨氏模量、泊松比、体积模量和剪切模量；
[0022]对冰球护腿模型、冰球模型、界墙模型和冰球杆模型进行网格划分，对于冰球、界墙和冰球杆，采用自由网格划分；对冰球护腿与冰球、界墙和冰球杆的碰撞区域采用六面体网格划分，并进行网格细化，增大网格密度；对冰球护腿上不与冰球、界墙和冰球杆直接接触的区域，减小网格密度。
[0023]进一步地，在对冰球护腿与冰球、界墙和冰球杆的碰撞区域采用六面体网格划分时，若出现划分网格失败或网格质量异常的情况，则对难以使用六面体网格划分的区域采用自由网格划分，并提高相应区域的网格密度。
[0024]进一步地，所述冰球护腿模型具有四层结构，分别为膝盖外壳、小腿外壳、内层泡
沫和外层泡沫；
[0025]将所述场景模型与所述冰球护腿模型进行模型耦合，设置冰球护腿内部以及冰球护腿与冰球、界墙和冰球杆的接触条件、边界条件以及分析设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法，其特征在于，所述基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法包括：通过3D扫描建模设备建立冰球护腿模型；将所述冰球护腿模型导入有限元分析软件中，基于冰球护腿的实际使用场景，建立场景模型；其中，所述场景模型中包括冰球、界墙和冰球杆的模型；设置各模型的材料参数，并对各模型进行网格划分；将所述场景模型与所述冰球护腿模型进行模型耦合，设置冰球护腿内部以及冰球护腿与冰球、界墙和冰球杆的接触条件、边界条件以及分析设置条件；基于显式动力学分析理论，结合不同工况下的仿真参数，模拟冰球运动员在竞技中腿部碰撞时护腿的碰撞应力影响过程，得到应力云图和应力变化曲线；基于所述应力云图和应力变化曲线，判断不同碰撞参数对冰球护腿的影响。2.如权利要求1所述的基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法，其特征在于，所述通过3D扫描建模设备建立冰球护腿模型，包括：将真实的冰球护腿通过3D扫描建模设备进行扫描建模，得到实体模型；对所述实体模型中不影响计算精度的细节进行简化处理，并忽略和删除部分非必要结构，以对所述实体模型进行简化，得到最终的冰球护腿模型。3.如权利要求1所述的基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法，其特征在于，所述有限元分析软件为ANSYS Workbench软件；将所述冰球护腿模型导入有限元分析软件中，基于冰球护腿的实际使用场景，建立场景模型，包括：将所述冰球护腿模型数据文件转存为“.stp”文件；选择ANSYS Workbench软件中的LS
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DYNA模块，由LS
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DYNA模块中的Geometry模块对冰球、界墙和冰球杆进行直接建模；其中，冰球尺寸采用与真实尺寸1:1模拟建模，界墙和冰球杆在满足仿真需求的前提下进行部分建模。4.如权利要求1所述的基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法，其特征在于，所述设置各模型的材料参数，并对各模型进行网格划分，包括：设置各模型材料的密度、杨氏模量、泊松比、体积模量和剪切模量；对冰球护腿模型、冰球模型、界墙模型和冰球杆模型进行网格划分，对于冰球、界墙和冰球杆，采用自由网格划分；对冰球护腿与冰球、界墙和冰球杆的碰撞区域采用六面体网格划分，并进行网格细化，增大网格密度；对冰球护腿上不与冰球、界墙和冰球杆直接接触的区域，减小网格密度。5.如权利要求4所述的基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法，其特征在于，在对冰球护腿与冰球、界墙和冰球杆的碰撞区域采用六面体网格划分时，若出现划分网格失败或网格质量异常的情况，则对难以使用六面体网格划分的区域采用自由网格划分，并提高相应区域的网格密度。6.如权利要求1所述的基于有限元方法的冰球护腿动力学性能的仿真方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽君，陈沫扬，陈先中，毛吉炀，邓家乐，
申请(专利权)人：北京科技大学顺德研究生院，
类型：发明
国别省市：