HyperWorks仿真和优化工具驱动Cleveland Golf公司产品创新

下一代高尔夫球杆设计

高尔夫球杆研发过程中不再简单考虑材料（如木材、金属或石墨）的对球杆性能的影响，为了追求最佳的性能、独特的外观、个性化的手感甚至是击球时发出的声音，生产商必须精确设计产品的各个方面。一直以来，高尔夫球杆产品研发是一项极其繁琐的过程，需要数月的样机设计及评估。而现在，仿真驱动设计技术实现了在充分满足严格法规的条件下极大缩短新型高尔夫球杆的研发周期。坐落在加州亨廷顿海滩市的高尔夫球杆生产商Cleveland Golf公司在高级球杆设计生产和挖起杆研发方面一直处于行业领先地位。该公司产品研发团队应用仿真技术评估和调整前瞻性设计方案，开发市场领先的木杆、铁杆、挖起杆和推杆产品。“我们对设计工程师提出的产品方案进行分析，分析范围涉及到从杆面厚度到重心位置的各个方面，” Cleveland Golf公司机械工程师Brain Schielke说，“我们的工作是改进设计工程师提供的原始方案，一个全新外形的研发可能需要花费数月，而一个稍作改进的方案验证只需数周。”

“HyperWorks仿真软件极大提高了我们的研发效率。这不仅帮助我们生产更好的产品而且节省了时间并为探索高尔夫产品下一代技术提供了可能。” ——Cleveland Golf研发经理John Rae

解决方案

法规和商业局限

在当前严格的行业监管和商业环境下，Cleveland Golf公司将继续拓展仿真技术的应用。美国高尔夫协会（USGA）加强了高尔夫球杆头的规定。比如，限制球杆沟槽的大小以及杆头的尺寸，同时限定了球杆容许的恢复系数（COR）或弹性系数。

“USGA制定出这些规则后，目前还没有公司按照这种尺寸或恢复系数规则研发球杆，” Scheilke的同事Alex Timmons说，“但是，随着球杆产品的发展，我们开始面临这种规则的制约并且需要一种能力去应对它。现在我们需要思考出如何在遵守这些规定的情况下继续提高球杆的质量。”除了这些挑战，USGA最近还特别限定了沟槽的尺寸，极大影响了球杆的设计。

单从经济性方面看，现在客户们开始认真考虑他们的支出，并且不再像以前那样购买许多支球杆，所以Cleveland Golf公司需要设计出更多创新的产品，而不仅仅是当前产品的微小改进。

“日益受到重视的经济原因给高尔夫产品生产商在价格上区别竞争对手方面提出了更大的挑战，” Timmons指出，“仿真技术是帮助Cleveland Golf公司在竞争中获胜最有力武器。通过它可以测试球杆在多种工况下的性能，如果没有这种技术，那么这些测试将是无法实现的。对高尔夫球杆来说，仅仅一点小小的变化都将对其性能造成很大的影响，仿真技术帮了我们大忙。”

应用HyperWorks进行产品造型和性能设计

Cleveland Golf公司研发团队应用Altair HyperWorks计算机辅助工程分析（CAE）软件进行球杆仿真分析，已经确定了多种设计变量最佳值，这其中包括：材料、尺寸、形状、重心位置、板厚以及用于改善球杆耐久性、击球声响以及触感的内部肋结构的位置。

完成这些分析任务以及简化处理这些设计因素的过程，研发小组很大程度上依赖于HyperWorks软件的应用。

“应用HyperMesh，我们可以方便的进行几何清理和曲面编辑工作，”Timmons指出，“HyperMesh的网格划分功能也非常优秀。通过它我们可以在五分钟之内完成整个球杆头从几何模型到网格模型的创建。应用OptiStruct，我们可以定义设计变量和目标函数，求解模型后，其结果能够告诉我们在球杆哪个地方需要增厚，哪个地方放置重心等。”

设计小组成员还应用HyperStudy联合AcuSolve软件进行材料属性的优化以研究球杆的气动性能。

左图：RADIOSS模态分析可以得到球棒的起振位置和固有频率，这些数据可以帮助预测球杆使用时的感受

右图：Cleveland Golf 公司应用Altair最新收购的AcuSolve软件研究球杆的气动性能

仿真驱动设计

应用仿真技术已经帮助Cleveland Golf公司成为球杆设计领域标志性的和创新的领导者。

“我们在概念性产品方面做了大量的研究，”Schielke 说，“我们不仅研究当前市场上需要的产品还以预测市场未来五年需求为目标进行预研，引领市场发展。仿真技术是帮助我们实现这项创新活动最简单也是最经济的方式。我们已经应用仿真技术驱动产品设计并确定了影响我们所希望的球杆性能指标的多种设计参数值。

上图：应用RADIOSS进行冲击分析可以预测击球瞬间高尔夫球的力学特性以及球杆头的应力分布

除了评估球杆的结构性能，Cleveland Golf公司还应用HyperWorks RADIOSS求解器进行模态分析以预测球杆撞击球发出的声响效果。“我们对声音的要求跟性能一样重要，”Timmons说，“球杆的击球声音和触感非常重要。为此，我们可以通过改变球杆形状、重心位置以及杆厚等参数来达到这一目标。”

工程师们了解高尔夫选手所偏爱的击球声音，因此，他们会在球杆击球声响分析时对比新旧球杆设计。同时，他们会使用设备连续不断的击球来验证不同的设计方案并测试球杆发出的声音。除此之外，工程师还通过使用者在声音和感觉方面实际测试的反馈来对比Cleveland Golf球杆与市面上其他产品的优劣。

结论

仿真技术带来的巨大成功

HyperWorks的应用已经贯穿球杆设计的整个过程，不但帮助Cleveland Golf公司缩短产品上市的时间而且提高产品的质量。

例如，除了设计一个独特的外形，工程师们还希望得到一个性能更加出色的杆头以及更加圆润的击球声响。另外，球杆需要较低的自旋，而使用更重的杆头将会加大球杆自旋的可能。使用HyperMesh和形状优化工具可以研究多种球杆形状以及杆厚以获得较低的重心。Schielke 和 Timmons 的团队现在已经掌握如何在使用较重杆头的情况下还能保证球杆最佳性能的技术。

仿真技术节省数月的设计时间

Cleveland Golf公司研发部经理John Rae说，“HyperWorks仿真软件极大提高了我们的研发效率。这不仅帮助我们生产更好的产品而且节省了时间并为探索高尔夫产品下一代技术提供了可能。”

事实上，仿真技术不但大大减少我们的设计时间而且提高了产品最终设计方案的性能。“通过仿真技术，我们已经节省了数月的设计时间。如果没有它，我们甚至可能找不到一个合理的设计方案，”Schielke说。

展望未来，Schielke认为Cleveland Golf公司的工程师们将进一步应用仿真技术在保持其传统的外形不变的情况下降低球杆的重量。“仿真技术在产品减重方面起到了重要的作用，”他预计，“我们将仿真技术拓展到杆轴、控制臂甚至是整个球杆的设计而不仅仅局限在杆头上，工作的重心也会从杆头延伸到整个球杆以及挥杆的设计上。我们正在努力将最好的工程技术应用在球杆设计领域。

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