用模拟解决NFL中的挑战

随着美国国家橄榄球联盟(NFL)球员脑震荡的数量越来越多，人们越来越关注防止头部受伤，该组织发起了NFL头盔挑战，以创造更好地承受不同角度冲击的头盔。为了迎接这一任务，总部位于加拿大的创新者小组成立了KOLLIDE，通过使用Ansys行业领先的模拟解决方案，在最大的帮助下迎接这一挑战Ansys LS-DYNA．

值得信赖的显式求解器没有让人失望。KOLLIDE头盔的创新和保护系统获得了NFL前三名的奖项，该头盔采用了95个护垫和底层支持3d打印的矩阵结构。有了55万美元的拨款来推进他们的原型，KOLLIDE正在加班，计划进一步升级头盔并扩大制造过程。

图1。KOLLIDE足球头盔采用了一个创新的系统，使用95个垫片来增强减震和更好地承受冲击。

的开始

Kupol是一家先进的制造公司，受到这一挑战的吸引，它召集了来自初创公司和小众公司的本地创新者，与蒙特利尔拥有数十年历史的工程学院École de technologie supérieure (ÉTS)合作，共同寻找解决方案。

与Kupol一起，KOLLIDE的阵容包括工业设计公司tactical，模拟公司Numalogics和软件公司变形3D。

KOLLIDE于2020年11月接受挑战，期限为一年，12人因疫情10个月无法见面，这本身就增加了另一项挑战。

考虑到面对面会议的限制，加上原型设计的预算限制，团队转向数字化，转向虚拟设计和测试。将模拟实现为协作工具，不仅可以将团队团结在一起，而且对于节省开发时间和成本至关重要。

此外，NFL还提供了四种头盔的开源有限元(FE)模型，以及相关的冲击测试方法和设备。

“测试头盔的台架测试是一项昂贵的设备，”Numalogics公司KOLLIDE的研究协调员Franck Le Naveaux说。“使用Ansys LS-DYNA进行虚拟测试有助于提高我们的速度并降低与原型设计相关的成本。”

近10年来，Numalogics一直与Ansys和SimuTech Group (Ansys精英频道合作伙伴)合作。到目前为止，Numalogics专家主要依靠隐式建模来模拟医疗设备及其与人体的相互作用，然而，要模拟头盔的撞击，就需要显式建模。每秒9米——这是NFL头盔测试协议中最高的撞击速度——可能比使用LS-DYNA的典型模拟要慢，但比外科医生用手做的要快得多。在挑战之前，Numalogics专家拥有最多的使用经验Ansys Workbench进行更多的静态或结构模拟。

但根据原型本身的冲击速度和组成，他们知道只有一个明确的求解器可以解决这个问题。

Numalogics的生物力学模拟研发专家David Benoit说:“头盔使用的材料相当复杂。”“能够模拟高度非线性、粘弹性和应变速率依赖的材料是一个挑战。Ansys LS-DYNA已经拥有了所有这些配置文件。”

玩模拟游戏

需要一种不同的建模方法来找到模型精度和求解时间之间的最佳权衡，以快速迭代。该团队制定了如何最好地表示晶格结构的策略，试图理解如何建模结构的每一面墙壁。虽然通过忠实地表示护垫的晶格微观结构来模拟的预测结果是有希望的，但对整个头盔进行模拟需要太多的计算资源。作为一种解决方案，他们将晶格模型同质化，以使用更少的计算资源。尽管如此，一开始就有40万个元素需要分析，《KOLLIDE》的模拟之旅显然不够清晰。最终，每种类型的模拟冲击在16个核上运行了大约3小时。模拟以三种不同的速度进行，以演示不同的影响。

KOLLIDE将头盔作为一个由两个主要部分组成的系统:内衬和外壳，将面罩放在最后。模拟在系统的每个部分都发挥了作用，允许团队测试多种类型的衬管和壳体特性，同时降低了后期设计失败的风险。

Benoit说:“因为头盔是一个系统，你无法在不影响整个头盔性能的情况下优化单个组件。”“我不认为我们能够在没有模拟的情况下为挑战提供一个完全优化的头盔。”

KOLLIDE头盔最重要的特点之一是其独特的衬垫由网格填充的网络组成，3D打印结构。这些网络吸收大量的能量，使垫块相对于彼此具有灵活性和运动，根据冲击的方向增强减震。此外，该小组还试验了不同的打印技术和材料，以考虑晶格结构在不同温度下的行为和承受多种类型的冲击。

使用熔融沉积模型(FDM)打印最终的衬垫。对于外壳，KOLLIDE测试了不同的化合物，以找到维持冲击的最佳材料，然后选择软外壳，以便更好地将冲击分布到内衬衬垫上。对垫片和壳体的刚度进行了标定Ansys LS-OPT， LS-DYNA内置的设计优化工具，允许开发完全自动化的优化工作流程。在另一个成功案例中，成品护垫能够剪切和减缓旋转加速度，而旋转加速度已被发现是对大脑最具潜在损害的加速度类型。

作为最后一步，团队创造了面具，这是一个更少的重新设计，更多的是适应新的内胆和外壳。

移动铁链:下一步是什么?

KOLLIDE的最终产品看起来像一个普通的头盔，但拥有突出其晶格结构的高级功能，例如可定制的贴合。有95个减震垫安装在吊带上，与外壳一起悬挂-这一区域的模拟有助于改善能量分布。

“考虑到时间紧迫，如果不使用模拟技术，这个项目根本不可能实现。我们本可以提交一个头盔，但不是一个好头盔，”Numalogics公司KOLLIDE的研究协调员Franck Le Naveaux说。“此外，设计师使用计算机辅助设计(CAD)软件，将概念带给我们并进行测试，模拟对于高效的工作流程至关重要。”

虽然没有球队达到NFL的目标，但KOLLIDE的得分略高于预期的排名。头盔的前景令人印象深刻，因此该团队与另外两名决赛选手一起被选中，获得资金来推进他们的原型。

KOLLIDE正准备这样做，专注于探索新概念和缩放3D打印，以更快的速度生产升级的头盔，以满足HPS的目标。根据赠款，NFL将跟踪KOLLIDE的进展一年。这些团队有6个月的时间提交新的原型，然后再用6个月的时间生产先进的最终产品。

欲了解更多信息，访问KOLLIDE网站检查一下这个视频由Ansys Elite频道合作伙伴SimuTech Group制作。