Wilson Sporting Goods zařadil CAE do procesu navrhování kompozitní tenisové rakety

Tags: Altair | CAE | MKP | OptiStruct | Wilson

Wilson Sporting Goods Co. je jedním z předních světových výrobců velmi kvalitních sportovních potřeb, oblečení a doplňků. Po více než jedno století tvoří, navrhuje a vyrábí sportovní vybavení pro sportovce, kteří hrají tenis, golf, baseball, basketbal, fotbal, volejbal, softball a další. Wilson se neustále snaží svým vývojem, aby sport byl potěšením pro milióny lidí.

Svět sportu je nelítostné soupeření, a proto vztah mezi sportovcem a jeho vybavením je velmi důležitý, může to být určující detail poskytující vítěznou výhodu nad soupeři. A právě s touto dynamickou asociací v mysli, s využitím nejmodernější sportovní technologie a odborných znalostí, navrhují a vymýšlí inženýři ve Wilson Labs, inovačním centru Wilsonu, své převratné produkty. Ve sportovním oddělení zaměřeném na tenisové rakety se Wilson Lab ve svých inovačních podnětech snaží o materiálové zlepšení, mechanické zlepšení i změny fyzikálních parametrů rakety, aby se přizpůsobili vyvíjejícím se trendům hry hráče.

Využití MKP analýzy kompozitů

Konstruktéři z Wilson Labs se zamýšleli nad vývojem v oblasti analýzy konečných prvků (FEA) pro laminátové kompozity, zejména pokud jde o metody, které lze aplikovat na rámy kompozitových tenisových raket. Zajímalo je, o kolik se zkrátí doba vývojového cyklu a jak se navýší hodnota produktu, když pro vývoj tenisových raket použijí simulaci, automatizaci a optimalizační technologii. Ve stejné době se inženýři z Wilson Labs snažili o dosažení něčeho jedinečného, nebo pokud jde o geometrii, něčeho organicky vypadajícího. Až dosud se v tenisovém průmyslu metoda konečných prvků pro vývoj kompozitů téměř nepoužívala. Nicméně je jasný její přínos jako lepšího nástroje pro vrstvenou konstrukci, stejně jako pro optimalizaci hmotnosti, pevnosti a tuhosti. Použitím této metody firma Wilson převzala vedoucí úlohu v užívání této technologie ve sportovním průmyslu.

Modelování tenisové rakety ve virtuálním prostředí

Při průzkumu vývoje metod v FEA se Bob Kapheim, konstruktér z firmy Wilson Labs, seznámil se softwarem Altair HyperWorks a inženýrskými službami týmu Altair ProductDesign. Dozvěděl se, že tým Altair ProductDesign by mohl pro firmu Wilson provést softwarovou simulaci a testovací korelaci, aniž by museli nejprve investovat do softwaru. Ačkoli simulační technologie kompozitních materiálů byla pro tým vyvíjející tenisové rakety a jiné sportovní zboží ve Wilson Labs relativně novou a moderní, Altair již dávno pracoval se simulačními metodami kompozitů v mnoha odvětvích průmyslu, jako je například letecký průmysl, kde byly tyto technologie běžně využívány. S takto vyspělými nástroji a zkušenostmi bylo pro Altair docela jednoduché přizpůsobit technologie na simulaci kompozitů i pro vývoj tenisových raket. „Pokud je mi známo, nikdy jsme neudělali tak velký pokrok, jako když jsme pracovali s firmou Altair. Věděli jsme, že Altair pro nás bude dobrým partnerem, protože byli schopni jasně předvést, jak se se softwarem bude našim inženýrům pracovat, což bylo pro nás velmi významné. A oni s námi pracovali, aby nám ukázali, jak by jejich produkt mohl řešit to, co se snažíme dělat,“ řekl Bob Kapheim.

První fáze práce bylo postavení modelu pomocí metody konečných prvků na základě poskytnuté geometrie představující vnější odlévací linie (OML) rakety, která nebyla navrtána ani jinak obrobena a bez rukojeti.

Modelování laminátu se provádělo na zjednodušené úrovni. Schéma každé vrstvy bylo přezkoumáno a bylo posouzeno správné umístění vrstvy. Plochy pak byly ořezány a uspořádány. Ke každé vrstvě byla přiřazena tloušśka a materiálové vlastnosti. Také bylo aplikováno zatížení a okrajové podmínky.

Pomocí programů od firmy Altair bylo provedeno několik analýz, a to strukturální analýzy a dále pak optimalizace pomocí programu OptiStruct. Výsledky byly překontrolovány, zda korelují s daty fyzikálních testů.

Inženýři z firmy Altair úspěšně vymodelovali dnešní podobu tenisové rakety ve virtuálním prostředí. Testováním a analýzami prokázali úzkou podobnost mezi chováním na virtuálním modelu a na skutečném modelu.

Tento projekt je pro nás potvrzením, že pomocí simulací s nástroji HyperWorks je možné dosáhnout požadované přesnosti virtuálního modelu tenisové rakety a že použití virtuální simulace je mnohem efektivnější než manuální techniky vývoje.

Naplnění očekávání

Všechny výsledky, které tým v oddělení tenisových raket od Wilson Labs očekával (hmota, těžiště, dynamická tuhost, statická tuhost) ukázaly procento chyb menší než 4 %. Hmota ukázala chybu do 3 %, těžiště do 2 %, frekvence pro dynamickou tuhost s 1% chybou a statická tuhost s 4% chybou. To vše jsou výsledky, které byly mnohem lepší, než se původně očekávalo.

O týmu ProductDesign firmy Altair

Altair ProductDesign je celosvětové, multi-disciplinární poradenství pro vývoj produktů, které využívá více než 800 návrhářů, inženýrů, vědců a nositelů tvůrčích myšlenek.

Tato část firmy Altair Engineering, Inc., je známá svým vedoucím postavením na trhu díky svým inženýrským zkušenostem, které jsou kombinované s využíváním počítačových CAE analýz tak, aby přinášely inovativní řešení.

Altair ProductDesign využívá simulační a optimalizační technologie (například Altair HyperWorks), aby pomohly klientům dostat jejich inovativní produkty na trh snadněji a dříve.