在足球場上采用人造草皮,已經得到了國際足聯(FIFA)的認可。并且國際足聯認為,相對于自然草皮來說,人造草皮有諸多優點,比如:色彩更好,更有利于運動員發揮技術,等等。實際上,人造草皮還可以應對更高的比賽強度,不易受惡劣天氣的影響,而且維護簡單。

    但是國際足聯對人造草皮的材料、內部構造、安裝、試驗和認證等都制定了詳細的規范。草皮制造商需要努力提高其產品的性能和安全性,方能在這個市場的殘酷競爭中勝出。

    從紡織到高科技

    皇家天佳(Royal TenCate)是一家有著三百年歷史的荷蘭公司,它是曾經興旺一時的荷蘭紡織業的奠基者之一。由荷蘭王室所頒發的“皇家”榮譽,正是幾個世紀以來公司成就的結晶。1970年代,隨著亞洲勢力進入自然纖維市場,天佳開始涉足合成纖維領域。目前,天佳的產品包括了人造草皮纖維等諸多運動場地用品,并且已經成為該領域的領導者。除此以外,公司還生產用于消防的特種纖維,用于飛機的輕質材料,用于隧道、帳篷、雨篷等的高強纖維。毫無疑問,所有這些產品的設計和生產都需要專業的工程技術來支持。

    只要想一想草皮要承受多少次腳踢球砸,要經受多少種氣象條件的輪番考驗,再想一想它要適應多少種運動環境:足球,橄欖球,曲棍球……您就會理解對于草皮設計來說,專業技術有多么重要。而天佳就是要將所有這些因素融合起來,以設計并制造出一流的人造草皮。

    人造草皮:不只是視覺

    說起人造草皮所要滿足的條件,人們首先會想到它的顏色:它當然應該是綠色的。但是只要稍加思索,您就會意識到更重要的因素在哪里:材料——足球需要軟質的聚乙烯,橄欖球需要更牢固的滌綸;形狀——原纖維還是單纖維;高度——高出場地表面多少;密度——每平方米的用量;強度和分散性能;等等。所有這些因素,都將影響到運動員的安全和技術發揮。

    還不止于此,草皮之下看不見的部分同樣關鍵:草皮纖維下端伸入由橡膠和熱塑顆粒制成的填充物,這些填充物用于減震、控制彈性,并防止運動員滑倒時皮膚受傷。填充物之下是一層層的橡膠和沙子,最后6cm長的草尖插入底料。就像地毯一樣,底料要平整,不允許有絲毫折疊、收縮或變形,即使溫度、濕度和氣象條件發生變化,也必須保證這一點。

    更好的性能從有限元分析開始

    天佳公司的草皮部門負責生產人造草皮的全部四種部件:纖維,填充物,底料,基料。“為了取得最優的性能,我們必須仔細調整各組分的比例。”天佳公司研發部門的全球經理,Martin Olde Weghuis,如是說,“我們生產出許多不同種類的聚乙烯草皮纖維,還有熱塑填充材料,以及聚丙烯底料纖維。這些材料要協同工作,才能取得最滿意的結果。”

    Marco Ezendam是為天佳提供工程咨詢服務的Reden公司的主管,他解釋說:“運動場地是一個系統工程,它遠不是單個組分相互疊加那么簡單。如果希望場地有更好的性能,就得了解這個系統是怎樣工作的,以及各組分之間關系如何。這就是我們采用有限元分析的原因。”

    Reden公司為天佳提供產品設計和開發流程方面的咨詢服務。他們采用的正是達索旗下SIMULIA品牌的有限元分析軟件Abaqus。“我們最初選擇Abaqus是因為它的材料模型非常豐富。”Ezendam說,“后來隨著對求解可靠性的要求越來越高,我們發現Abaqus的功能也越來越強,總是能夠滿足需求。采用有限元分析,使得我們可以對各個組分的性能進行詳細分析,并把它們統合起來以了解整個系統的情況。”

    怎樣模擬運動場地

    建立人造草皮模型時,Reden公司將問題分成了幾個不同的層次:微觀——考慮單根纖維的屬性;細觀——考慮與纖維相互作用的填充顆粒;宏觀——考慮球或者球員沖擊場地的情形。“我們用有限元來模擬單個纖維的屬性,再將其轉換為一組纖維的屬性,然后來預測球或球員與場地碰撞時的質量、彈力、阻尼等特性。”Ezendam說。

    在Abaqus中建立草皮纖維的模型后即可對其進行彎曲分析。纖維的質量、形狀、高度,等等,都可以多次修改然后重新試驗,直到獲得理想的特性為止。對于填充物來說,可以調整其形態、尺寸、材料、分布、摩擦和層厚,然后進行三軸壓縮試驗。在此基礎上建立一整塊草皮的模型,即將纖維、填充物和底料的特性全部計入,就可以評估其在虛擬足和彈性球作用下的受壓性能。

    人造運動員

    足部仿真的目標是完全模擬國際足聯所規定的真實試驗,即著名的“人造運動員”。人造運動員的主要部件是一個圓盤,用來模擬運動員的腳,它通過一個受載的彈簧連接到場地上,就可以測量場地的響應。Reden公司有兩個人造運動員:Berlin和Stuttgart。測量時,兩位運動員在天佳室外試驗場的人造草皮上走過,Berlin就會報告出圓盤上的最大載荷,而Stuttgart則報告出圓盤的位移。

    Reden公司對人造運動員在人造草皮上的活動進行有限元分析,然后通過解讀分析結果來評估草皮纖維、填充物和底料之間不同組合的性能,經過適當的修改就可以使人造草皮的戶外試驗性能達到最優。

    采用類似的方法,建立一個有限元的殼模型,并在其中填充壓強適當的空氣,就可以模擬彈性球。作為對照,研究人員用真實的彈球做試驗,然后通過修改參數使得有限元模型的行為與真實試驗的數據相一致,這樣得到的有限元模型就非常精確地反映了運動場上皮球的行為。

    用有限元計算來滿足國際足聯的標準

    建立計算模型后,Reden公司按照國際足聯的標準參數進行了全面驗證。他們運行Abaqus的硬件環境是:64位計算機,雙CPU,8G內存,Linux 9.2操作系統。單個草皮纖維的模型很小,很容易建立,但是一個假足沖擊一塊草皮將涉及250,000個單元,大于2,000,000的自由度。“我們目前正在驗證所有的模型,真實試驗結果與有限元計算結果的對比將很快給出。”Ezendam說。

    Reden公司計劃用Abaqus對人造草皮進行深入的模擬,以支持天佳公司持續不斷的產品設計和開發。今年夏天它們合作的一項成果就將面世:在北京奧運會的曲棍球項目中,您看到的將是由天佳提供的人造場地。