通过模拟解决NFL中的挑战

随着美国国家橄榄球联盟(NFL)球员中脑震荡的数量不断增加，以及人们对防止头部受伤的日益关注，该组织发起了NFL头盔挑战赛，以制造更好的头盔，以承受不同角度的冲击。为了完成这一任务，加拿大的一个创新团队成立了KOLLIDE，利用Ansys行业领先的仿真解决方案，在Ansys的最大帮助下，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因其创新的头盔和保护系统而成为美国国家橄榄球联盟(NFL)三大获奖产品之一，该头盔采用95个护垫和一个潜在的支持性3d打印矩阵结构。在获得55万美元的资助后，KOLLIDE正计划进一步升级头盔并扩大制造过程。

图1所示。KOLLIDE足球头盔采用了一个创新的系统，使用95个衬垫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，被这一挑战所吸引，它召集了来自当地初创公司和小众公司的创新者，与蒙特利尔一所拥有数十年历史的工程学校École de technology supsamrieure (ÉTS)合作，共同寻找解决方案。

除了Kupol之外，KOLLIDE的阵容还包括工业设计公司tactical、仿真公司Numalogics和软件公司shapesshift 3D。

KOLLIDE于2020年11月接受了挑战，最后期限为一年，12人因大流行而无法亲自见面10个月，这本身就增加了另一项挑战。

考虑到面对面会议的限制，再加上原型制作的预算限制，团队转向数字化，转向虚拟设计和测试。将模拟作为协作工具来实现，不仅可以将团队团结起来，而且对于节省开发时间和成本至关重要。

此外，NFL还提供了四种开源的头盔有限元(FE)模型以及相关的冲击测试方法和设备。

“用于测试头盔的台架测试是一件昂贵的设备，”Numalogics的KOLLIDE研究协调员弗兰克·勒·纳沃(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相关的成本。”

近10年来，Numalogics一直与Ansys和Ansys精英渠道合作伙伴SimuTech集团合作。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，为了模拟头盔撞击，需要显式建模。每秒9米——NFL头盔测试协议中的最高撞击速度——可能比使用LS-DYNA的典型模拟慢，但比外科医生用手的速度快得多。在挑战之前，Numalogics专家最有经验使用Ansys Workbench更多的静态或结构模拟。

但考虑到撞击的速度和原型本身的构成，他们知道只有一个明确的解决方案。

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、粘弹性和应变率相关的材料是一个挑战。Ansys LS-DYNA已经拥有了所有这些配置文件。”

制作模拟游戏

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，以便快速迭代。该团队制定了如何最好地表示晶格结构的策略，试图了解如何对结构的每一面墙进行建模。虽然通过真实再现护垫晶格微观结构的模拟预测结果是有希望的，但模拟整个头盔需要太多的计算资源。作为一种解决方案，他们将晶格模型均匀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的模拟之旅显然还不够清晰。最终，每种类型的模拟冲击在16个核心上运行了大约3个小时。模拟是在三种不同的速度下进行的，以展示不同的影响。

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，使团队能够测试多种类型的尾管和壳的特性，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部件。”“如果没有模拟，我认为我们无法提供一款完全优化的头盔来应对挑战。”

KOLLIDE头盔最重要的特点之一是其独特的内衬，由网格填充的3D打印结构网络组成。这些网络吸收了大量的能量，使垫子具有相对的灵活性和运动性，这取决于冲击的方向，从而提高了减震性。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。

最终的衬垫是使用熔融沉积建模(FDM)打印的。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，然后选择了柔软的外壳，以便更好地将冲击分配到衬底的内层填充物上。对衬垫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。另一个成功之处是，成品垫能够剪切和减轻旋转加速度，而旋转加速度被发现是对大脑最具潜在破坏性的加速类型。

作为最后一步，团队创造了口罩，这不是一个重新设计，更多的是适应新的衬垫和外壳。

移动链条:下一步是什么?

KOLLIDE的最终产品看起来像一个普通的头盔，但具有突出其晶格结构的先进功能，例如可定制的适合度。有95个减震垫安装在弹壳悬吊的吊索上，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，这个项目根本不可能实现。我们会提交一个头盔，但不是一个好的头盔，”Numalogics的KOLLIDE研究协调员弗兰克·勒·纳沃说。“此外，由于设计师使用计算机辅助设计(CAD)软件，向我们提供概念并对其进行测试，因此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的得分略高于期望的排名。这款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，以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扩展3D打印，以更快的速度生产升级的头盔，以满足HPS的目标。根据这笔拨款，NFL将对KOLLIDE的进展进行为期一年的跟踪。这些团队有六个月的时间提交一个新的原型，然后再用六个月的时间制作一个先进的最终产品。

欲了解更多信息，请访问KOLLIDE网站检查一下这个视频Ansys Elite渠道合作伙伴SimuTech集团