仿真技术在体育行业中的发展和应用

HPC365云服务 2019年7月5日浏览：2690

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本文将说明CAE在过去20年中如何在体育和休闲产业中发展。通过汽车运动、水上运动、奥林匹克运动和装备设计领域的适当CAE实例在设计过程中得到肯定。如今，通过采用现代CAE技术和方法，运动器材制造设计过程正在进行时间压缩、增强和改造。例如赛车运动，他们通过对产品的不断创新和解决方案的不断需求推动了CAE行业向前发展。最后，将为涉及精英竞赛，设备制造和培训场景的应用程序提供体育CAE使用的一些未来趋势。

在美国，体育产业的规模是电影产业的七倍，是汽车产业的两倍。

图1：运动中获胜与失利的差异（2004年奥运会男子赛艇，2008年奥运会100米蝶泳）

随着体育运动的胜利，以及随之而来的对他们领域顶尖人士的崇拜和金钱，以毫米或毫秒为单位的性能提升受到高度重视。因此，现代工程技术越来越受到欢迎。正在利用任何可以提高个人绩效或改进设备设计和功能的合法，具有成本效益的技术。

在任何体育运动中，通过创新设备设计和激进的新工程解决方案来帮助解决问题，只有通过更深入地了解与该运动相关的基础物理和化学，才能击败对手。许多运动中一个显而易见的改进领域是其中固有的运动器材的空气动力学、流体动力学，并且在追求竞争优势的过程中对新技术的开发是这些运动中工程技术进步的驱动力。

20世纪80年代有限元方法设计了美洲杯游艇（世界上最丰富的帆船赛事）的船体和附属物，在20世纪90年代初一级方程式赛车（最富有的赛车运动部门）开始使用CFD和FEM来改进赛事。20世纪90年代中期，体育运动开始在同一时代与运动和休闲设备制造商一起使用CAE。基本上，通过应用CAE获得良好投资回报率可以获得竞争优势的任何地方都被认为是合法的应用。

图2：CFD在硬件进步的支持下增长，1990年至2010年的F1赛车使用CFD后的趋势

图3：现代CAD嵌入式赛车CFD模拟FloEFD模拟的Indy汽车的空气动力学部件（由Voxdale提供）

Motor Sport是首批采用商用CFD工具获得竞争优势的专业运动之一；在20世纪80年代首次采用非粘性面板方法，然后在20世纪90年代初使用RANS平均的Navier-Stokes技术（见图2和图3）。实际上，可以说一级方程式一直是CFD技术创新的主要推动力，其中高性能计算和CFD技术的预处理增强正在为ANSYS FLUENT，CD-Adapco的CCM +以及后来的OpenFOAM产品开发。当然，一些世界上最大的数据中心已经发展到利用CFD在汽车运动中的力量，因为它相对于建造更多的风洞相对便宜和知识可扩展性（更多的工程师和更多的CFD等于更多的流量预测，大体上有线性缩放）。关于CAE在赛车运动中还需要做些多物理场仿真（例如FSI，滑水），瞬态超车和车轮操纵（以及战术模拟）等，依然需要在赛车CFD社区的生产层面进行。

图4：与双美洲相关的结构和CFD模拟获奖团队Alinghi Boat（由ANSYS Inc.提供）

英国奥林匹克队一直擅长一些技术主导的夏季奥林匹克运动，如帆船和划船、骑自行车（1988年着名的GB莲花自行车队就是一个例子）。他们还招聘了“技术与创新”总监。该主任的任务是确定领先的英国技术，公司和组织，利用可转换的技术，在英国已经出类拔萃的奥林匹克运动中为英国队和精英运动员提供可衡量的竞争优势和性能差异（成本效益）。

图5：1988——2008年GB奥运奖牌获奖次数

在2008年北京奥运会期间，英国体育绩效总监系统已经完全融入其中，而技术和创新（特别是CFD工具）正在提供竞争优势。在帆船，骑自行车（见图6来说明空气动力学改进如何帮助提供奖牌）和赛艇训练方面，GB队在他们各自的领域占主导地位，帮助重新夺回球队80年来最好的奖牌，上升到闻所未闻的第四名在奖牌榜上有47枚奖牌，包括19枚金牌。

图6：英国奥林匹克自行车队2008年奖牌表现和示例自行车CFD应用领域

许多其他夏季和冬季奥林匹克运动也被称为使用CAE进行性能提升，甚至包括残奥会的轮椅比赛。

图7：瑞典奥林匹克队为FloEFD赢得夏季奥运芬兰级帆船模拟奖牌

图8：使用FloEFD Concurrent获得了雪橇金牌

就夏季奥林匹克游泳而言，2008年的LZR Racer Swimsuit则是在ANSYS FLUENT CFD软件的帮助下开发的（见图9）为北京奥运会带来了巨大的影响（最终规则改变禁止某些类型的全身泳衣）。通过使用CFD技术，Speedo能够使他们的套装在被动阻力方面比最好的2004套装更好，并且游泳者在推出后平均整体速度提高了2％。 LZR赛车运动员在出现后的9个月内打破了前所未有的世界纪录（超过70个）。超过90％的金牌得主和89％的奖牌获得者在北京穿着这套服装，这对所有其他有竞争力的服装制造商都不利。教练们开始称其使用“技术兴奋剂”。事实上，所有运动员都有机会在比赛中穿着泳衣，而且在LZR Racer内没有精英运动员的情况下，他们在水中的速度并不快。