冰球“强打”，藏在冬奥竞技项目技能下的秘密

虽然速度、接触位置和时机都有助于这一强力击球，但冰球杆本身的结构也是一个关键因素。当冰球在 1800 年代中期还只是一项新兴运动时，冰球杆是由木头制成的。但当球员意识到木棍易碎且容易折断时，设计师开始用多层木材制造球棍，这使得球杆更坚硬、更有韧性。

自 2000 年以来，运动员力量、训练和运动装备的大幅提升为这项运动带来了新的强度水平。通过研究 NHL 最强的击球数据，很容易注意到在 2000 年左右，联盟中球员的击球速度开始变得更快。这也正是球员开始使用复合材料球杆的时候，绝非巧合。复合球杆具有木材的柔韧性和强度，但重量更轻，这有助于球员更好地控制球杆并更快挥杆，从而产生更大的击球力量。

为了比较这两种材料的性能，我们使用 Altair^® Radioss^® 模拟了这种 “弹弓” 现象。通过使用由木材和复合材料制成的球杆，我们想了解在运动器材中引入轻质复合材料，特别是冰球球杆，对球员和比赛的表现有多大的影响。

由于位移大、作用时间短以及我们观测的部件之间的动态相互作用，Radioss 是进行 slapshot 仿真和观察结构变化的理想工具。对于前处理和后处理，我们使用 Altair^® HyperWorks^®。

为了对冰球杆进行建模，首先我们必须定义球杆的材料本构。 为了准确地表征复合材料模型，我们将碳纤维增强聚合物层材料包裹在球杆手柄（杆身）和击球叶片（杆刃）部分周围。手柄是中空的，而击球叶片则填充有泡沫材料。

对于复合材料铺层，我们使用 Altair^® Multiscale Designer^® 定义材料，这个工具可以输入成分纤维和聚合物基体的材料属性，以及纤维体积分数，然后计算出复合材料有效的均质材料属性。Multiscale Designer^® 和 Altair^® OptiStruct^® 等仿真驱动设计工具是强大的复合材料隐式求解器。

除了均质化之外，Multiscale Designer 还允许去均质化，这有助于用户评估纤维和聚合物基体微观水平的应力和应变，从而实现全面的渐进式损伤和材料塑性变形。

复合材料模型，手柄部分为中空碳纤包覆,

击球叶片部分为碳纤包覆泡沫材料

实心木制模型

接下来，我们必须定义球杆挥杆时和与冰面接触时的旋转。slapshot 挥杆时，球员身体的扭转不仅仅是简单地围绕一个特定位置旋转挥杆。挥杆时，球员将杆身和叶片以倾斜的方向打向冰球。

在典型的 slapshot 挥杆过程中的方向

为了模仿球员的手部位置，我们使用了一种四杆机构方法，如下图所示。两个移动的连结节点（两个Hand position）代表球员的手，双手之间由球杆杆身连结。基于此方法，我们定义了一个合理的手和球杆的运动学表述。

将球杆的初始旋转速度设置为 550 rad/s，我们来模拟球员的击球动作。在模拟了 slapshots 之后，木制球杆与复合球杆的结果并不令人惊讶。虽然球杆与冰面的接触过程不同，但影响接触力的主要因素是球杆的刚度。

左侧为复合材料球杆，右侧为木制球杆

复合材料球杆对冰球的控制力要高得多，因此比木制球杆产生更大的击球力量。我们使用仿真来展示弹弓效应，可以看到，一旦球杆触冰面，储存的弹性势能会转移到冰球上。

虽然每根球杆都以相同的速度接近冰球，但由于木质球杆叶片对冰球的控制不佳，在击球前的瞬间木质片的速度比复合片慢。复合球杆的击球速度为 66.4 英里/小时，而木制球杆的击球速度为 54.9 英里/小时。虽然我们并没有打破任何 NHL专业球员的记录，但我们证实了 slapshot 依赖于力量、精度和高科技冰球杆的设计。

毫无疑问，多物理场设计工具将在高科技运动器材的开发中发挥至关重要的作用。通过获得先进材料的性能表征，工程和设计团队可以用更少的迭代次数和更低的成本进行更可靠、更准确的仿真。在体育行业中获得竞争优势——就像在运动本身中一样——始于在正确的时间使用正确的工具。