Altair SimSolid結合OptiStruct模擬

為了模擬打破世界紀錄的上搏和挺舉，使用 Altair SimSolid 研究槓鈴的運動和重量位移，結合OptiStruct 模擬了槓鈴的結構分析，展示了槓鈴升降的速度。

 

競技舉重匯集了一些世界上最強壯的運動員，舉起大量的重量。 這是形式最純粹的體育比賽之一。 在觀看這些舉重運動員的比賽時，您可能會注意到槓鈴由於槓鈴兩側的重量而彎曲。

作為參考，2004 年兩屆奧運會舉重冠軍Hossein Rezazadeh舉起令人印象深刻的 264.4 公斤（580.9 磅），打破了挺舉記錄。 觀看視頻時，您可以看到當 Hossein 蹲下進行全蹲高翻、跳回原位、抓住槓鈴，然後下蹲並進入分叉挺舉時，槓鈴彎曲了多少。 在整個動態運動中，槓鈴似乎以不同的速度彎曲，這取決於他身體的運動和他正在執行的動作。

Hossein Rezazadeh 在 2004 年破紀錄的挺舉，舉起 264.4 公斤（580.9 磅）。

 

在看到槓鈴內發生了多少運動後，我們想知道如果槓鈴達到一定的最大承重能力，它是否會有折斷的風險。 槓鈴的設計考慮到了非線性運動，這意味著無論槓鈴是被拉下還是拉起，兩端都有重量，設計具有一定程度的靈活性，以防止斷裂、爆裂等。

為了模擬打破世界紀錄的上搏和挺舉，使用 Altair® SimSolid™ 研究槓鈴的運動和重量位移，以查看槓鈴在這些高強度運動過程中是否能夠安全地承受動態載荷。 SimSolid 求解器技術支援分析線性靜態、模態和熱屬性，以及更複雜的耦合、非線性、瞬態動態效應，例如使用自由重量練習設備產生的運動。 結合 SimSolid，Altair® OptiStruct® 模擬了槓鈴的結構分析，展示了槓鈴升降的速度。

使用 Inspire 中的運動分析模塊，桿的輪廓最初設計為模擬完全挺舉運動期間發生的運動。 集成在 Inspire 工具中，用戶可以研究移動系統的動態運動，從而在結構分析或拓撲優化期間輕鬆查看邊界載荷。

在 Inspire 中生成的位移剖面

 

在 Inspire 中發現的位移和加速度結果被轉移到 SimSolid 以研究由舉重引起的槓鈴上的應力。 在槓鈴上，聯結接觸條件被重量板和桿之間以及板本身之間的滑動所取代，因為聯結接觸可能會增加模型的剛度。 將它們更改為滑動可以消除一些這種人為的硬化。

應用於槓中心的不可移動約束

 

對固定支撐進行模態分析，然後在 Inspire 中進行瞬態動力學分析，以研究基礎勵磁。 該模型的時間跨度是根據完成完整運動所需的時間設置的，阻尼設置為 0.2。

SimSolid中槓鈴的模態分析

Inspire 的位移曲線說明了在上搏和挺舉過程中槓鈴在不同點彎曲時振幅的變化因素

 

通過向不可移動支撐添加基礎勵磁並分配 CSV 時間函數，模擬能夠顯示組件上下移動，就像在 Inspire Motion 中一樣，但現在它可以像在現實生活中一樣收縮和彎曲。 然而，在整個模擬過程中添加平移慣性來模擬重力後，位移結果並不完全真實——顯然阻尼不足且振動過多。

初始位移結果阻尼不足，振動過大

 

在查看了第一個模擬結果後，使用了一種不同的方法。 由於其引起的應力集中（應力水平為 1186 MPa），位於槓中間的不可移動支撐是不實際的。 阻尼不足的振動導致不切實際的大撓度，因此下一步是應用更實際的約束和更多的阻尼。

SimSolid 的應力集中結果

 

代替在槓中間的不可移動的支撐，虛擬軸襯被應用於模型以模擬在整個升降過程中握住槓的手。 剛度經過調整以允許繞 Z（槓彎曲）旋轉，但支持所有其他自由度，允許更實際的撓度和應力。

應用虛擬軸襯來模擬在每個點握住槓的手

 

因為我們不能對軸襯使用基礎勵磁（沒有不可移動的支撐來喚起），所以使用 Inspire Motion 運行的加速度來應用慣性，就好像它在移動一樣。

槓鈴在進行模擬上搏和挺舉時的加速度圖

帶回 SimSolid 進行瞬態動力學研究，阻尼設置為 0.3 和 0.5 以比較兩次模擬運行的影響。 在 0.3 阻尼運行期間，發現了 612 MPa 的應力結果，在升降機的最大運動期間出現了快速的應力峰值。 槓可以在非常短的脈衝下承受這些應力，沒有問題。 但實際上，這種運動很可能仍然略欠阻尼。

0.3 阻尼運行的位移結果為 55.9 mm

在 0.5 阻尼運行期間，應力結果為 545 MPa，表明更大的阻尼導致更少的撓度，這意味著更少的應力。

最終模擬運行設置為 0.5 阻尼

 

整個提升過程中的應力結果表明，整個運動包括非常快速的峰值和大約 220 MPa 的靜態應力。

在提升時間內最大應力位置處的應力圖

 

SimSolid 動態模擬了在打破世界紀錄的上搏和挺舉運動中施加在槓鈴上的壓力，表明槓鈴能夠承受如此巨大的重量。 大多數槓鈴的強度等級大於 1000 MPa，這意味著它們在應力超過該等級之前不會斷裂。 有些還具有表面塗層和處理，以幫助抓握槓，但也可以增加槓在表面的耐用性和強度。

為了對槓鈴進行更詳細的結構分析，使用 Altair OptiStruct 對槓鈴的初始設置進行建模。 包括槓和重物在內的總質量為 280 公斤，大致相當於世界紀錄舉起期間槓和重量的質量。

在 Optistruct 中模擬槓鈴舉重

 

從這些模擬圖像中，為了真正舉起槓鈴，運動員需要在每隻手臂上提供大於 1380 N 的向上力。 一旦運動員施加該力並將槓鈴舉過頭頂，他/她就可以將向上力的大小減小到與槓鈴的大小完全相同以達到平衡。 這證明不僅舉起多少重量很重要，舉重的速度以正確完成舉重也同樣重要。

OptiStruct 中的槓鈴下降

槓鈴下降模擬的不同視角

一旦運動員放下槓鈴，考慮到 2 米的烙下，它會以 6.32 m/s 的平均速度撞擊地面，這在傳統地板上會產生超過 490,000 N 的衝擊力。 為了安全起見，這表明擁有合適的設備（如防摔墊）的重要性，海綿填充物將減少衝擊並保護設備、地板和運動員的腳。

舉起槓鈴的負荷為 2,760 N，放下槓鈴的負荷為 490,000 N

 

我們可以得出結論，雖然峰值應力非常高，但由於持續時間短，槓可能會承受它們。 此模擬的關鍵是使用 SimSolid 的快速設計迭代功能將約束和阻尼設置為盡可能準確的水平。

通過使用 OptiStruct 研究槓的非線性運動，我們可以觀察運動過程中會發生的實際力。 OptiStruct 久經考驗的求解器功能可為線性和非線性問題以及靜力學和動力學、振動、聲學、疲勞、傳熱和多物理場學科提供解決方案。

無需進行幾何準備和網格劃分，SimSolid 閃電般快速的求解器能夠在每次運行約 30 秒內生成峰值響應和動畫結果。 這允許對多個設計場景進行快速模擬和微調，以產生真實世界的載荷和強度條件。

 

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