MÔ PHỎNG KỸ THUẬT TRONG THỂ THAO VỚI SIMCENTER

Simcenter giúp mô phỏng kỹ thuật trong thể thao

Khi mọi sự chú ý đang hướng về Nhật Bản cho ngày hội thể thao lớn nhất thế giới, các vận động viên đang ra sức tập luyện chăm chỉ và tận dụng kỹ thuật mô phỏng để tìm kiếm huy chương. Tôi quyết định điều tra một số cách mô phỏng kỹ thuật đang ảnh hưởng đến kết quả của các sự kiện thể thao.

1. Đua xe đạp

Trong tất cả các môn thể thao, đua xe đạp mang tính khí động học thuần túy có lẽ là môn mà các vận động viên quan tâm nhất. Việc chạy nối đuôi phía sau một người đi xe đạp khác sẽ làm giảm tiêu hao năng lượng khoảng 20% so với người chạy dẫn đầu. Điều này được thể hiện rất rõ ràng trong bộ môn đua xe đạp phối hợp 4 người, trong đó mỗi người sẽ thay phiên nhau dẫn đầu để giảm lực cản tác động của không khí lên toàn đội.

Việc giảm lực cản khí động học của sự kết hợp giữa xe đạp và người lái có thể là sự khác biệt giữa thành công và thất bại trong một môn thể thao mà chiến thắng thường được quyết định bằng 1/100s. Tại London, Đội GB đã giành gần như toàn bộ các huy chương ở bộ môn đua xe đạp bằng cách sử dụng xe đạp Cervélo hiệu quả về mặt khí động học được thiết kế chuyên sâu bằng Simcenter®. Ở Tokyo, một loạt các xe đạp khí động học đẹp mắt sẽ được đẩy với tốc độ cao xung quanh Velodrome.

Các hãng sản xuất xe đạp lớn khác chẳng hạn như Trek (50 vận động viên sẽ sử dụng xe đạp Trek tại Tokyo) và các nhà sản xuất linh kiện như FLO Cycling đã sử dụng kết hợp Simcenter và HEEDS® để khám phá toàn bộ không gian thiết kế trước khi quyết định một thiết kế khí động học và cấu trúc tối ưu cho những sản phẩm của họ. Chúng tôi cũng sử dụng hoạt động của một người đạp xe đạp để thực hiện mô phỏng CFD đáng tin cậy đầu tiên.

2. Các môn điền kinh

   	Mô phỏng CFD của cuộc thi marathon vượt chướng ngại vật 2

Đối với tôi, hình thức thi đấu thể thao thuần túy nhất là các vận động viên đọ sức với nhau mà không có sự hỗ trợ của công nghệ nâng cao. Thật vậy, sự kiện đầu tiên ở Athens vào năm 1896 chỉ bao gồm các cuộc đua chân (mặc dù các sự kiện trên thực địa đã được giới thiệu sau đó). Tuy nhiên, ở Tokyo, nhiều khả năng công nghệ giày sẽ đóng một vai trò rất lớn trong việc quyết định kết quả của các giải chạy cự ly và theo Chủ tịch IAAF Lord Coe, điều này sẽ khiến các kỷ lục thế giới bị phá vỡ.

Công nghệ giày này lần đầu tiên được sử dụng trong chương trình Nike Breaking Two, được thiết kế để phá vỡ thử thách 2 giờ trong cuộc chạy marathon. Mặc dù Eliud Kipchoge từng đoạt Huy chương Vàng đã không thành công trong nỗ lực đó, chúng tôi đã sử dụng Simcenter để khám phá một số thủ thuật khí động học được sử dụng để mang lại cho anh ta cơ hội tốt nhất trên đường chạy Sub 2.

3. Các môn thể thao với bóng 

Mô phỏng khí động học của quả bóng đá

Khó như thế nào để thiết kế một vật thể hình cầu? Các đấu thủ hy vọng rằng các quả bóng trong môn thể thao họ tham gia sẽ hoạt động theo cách có thể dự đoán được. Trong mỗi kỳ World Cup, các thủ môn phàn nàn về những cú bóng xoáy và chìm quá nhiều trong không khí (thường dẫn đến những bàn thắng ngoạn mục hoặc những pha bỏ lỡ vô lý).

Tương tự, một quả bóng gôn xuyên qua không khí với hướng đi tuyệt vời nhưng lại dễ bị móc hoặc cắt cũng không quen thuộc với các đấu thủ Tokyo hoặc những người chơi gôn bình thường. Hầu hết thách thức với các quả bóng mô phỏng là đường bay của chúng được xác định bởi cách các đặc điểm bề mặt (chẳng hạn như đường khâu, dây buộc, vết lõm và độ nhám do mài mòn gây ra) làm thay đổi lớp ranh giới khi quả bóng xoay, tạo ra sự chuyển tiếp ở một bên của bóng chứ không phải mặt khác.

Điều này đòi hỏi khả năng phân giải các chi tiết bề mặt đó (thường liên quan đến số lượng tế bào tính toán rất cao) cùng với các mô hình nhiễu loạn không ổn định dự đoán quá trình chuyển đổi. Simcenter đã được sử dụng rất đa dạng cho các loại bóng trong các môn như bóng đá, bóng chuyền, bóng gôn, đá cầu và thậm chí cả bóng đá xoáy trôn ốc của Mỹ.

4. Bóng bàn

Có lẽ câu chuyện CFD trong thể thao yêu thích của tôi bắt nguồn từ London cách đây 9 năm, nơi Atkins đã sử dụng Simcenter để thiết kế một địa điểm và hệ thống thông gió không làm ảnh hưởng đến quá trình bay của một quả bóng bàn.

Theo cách nói của họ: “Để làm mới lĩnh vực thi đấu, các chuyên gia bóng bàn ngày nay yêu cầu và mong đợi những tiêu chuẩn cao nhất cho các điều kiện thi đấu quốc tế và trong thể thao bóng bàn, những tiêu chuẩn này rất phức tạp. Không khó để nhận ra lý do một quả bóng celluloid nhẹ, rỗng, có đường kính 40mm và nặng chỉ 2,7g.

Nếu luồng khí thổi mạnh có thể khiến trái bóng đi chệch hướng, thì vận tốc không khí nền tại địa điểm thi đấu phải gần như không tồn tại để đảm bảo rằng chỉ có cú đánh đầu hoặc xoáy ngược của người chơi mới xác định đường bay của quả bóng.”

5. Đua thuyền

Simcenter đã được sử dụng trong thiết kế các thuyền buồm khác nhau để phân tích khí động học của cánh buồm không ổn định và xác định vị trí tối ưu của một thủy thủ trên thuyền thi đấu ba lá. Khi Sir Ben Ainslie, người đã giành được nhiều huy chương hơn bất kỳ thủy thủ nào khác đã chọn mã CFD với sự hỗ trợ của Simcenter để thiết kế cho người thách đấu với Team INEOS tại giải UK America’s Cup.

Đua thuyền liên quan đến sự tương tác phức tạp giữa thủy động lực học và khí động học (và trong trường hợp của America Cup, thuyền đua chạy gần giống máy bay hơn là thuyền truyền thống). Đó là lý do tại sao Team INEOS đang sử dụng thăm dò thiết kế đa ngành để giành chiến thắng trong giải America’s Cup.

6. Chèo thuyền

CFD đã được sử dụng trong việc thiết kế thuyền chèo thi đấu cho đội Ý. Simcenter cũng đã được sử dụng để phân tích thủy động lực học của hành trình chèo thuyền hoàn hảo, phân tích các con song được sự dụng cho cuộc thi chèo thuyền regattas để đảm bảo rằng chúng công bằng với tất cả các đấu thủ. Tại Rio, Phá Rodrigo de Freitas tổ chức một cuộc thi chèo thuyền bị sóng làm gián đoạn nghiêm trọng. Tuy nhiên, thật khó để tưởng tượng mô phỏng CFD có thể được sử dụng như thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của gió tác động lên một hồ nước trong thung lũng.

7. Bơi lội

Bơi lội khá khó để mô phỏng bằng CFD

Rất khó để mô phỏng chuyển động phức tạp của một vận động viên bơi lội (thậm chí còn khó hơn mô phỏng một con cá heo đang bơi). Simcenter đã được sử dụng để mô phỏng hoạt động của một vận động viên bơi lội. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để kiểm tra các yếu tố của một lần bơi nhưng theo hiểu biết tốt nhất của tôi, chưa ai có thể mô phỏng toàn bộ quá trình này. Tuy nhiên, việc sử dụng kỹ thuật này với một người đang bơi tương tự như đã sử dụng với mô hình người đạp xe đạp chỉ còn là vấn đề thời gian.

Một ví dụ mà CFD lẽ ra đã được sử dụng nhưng không được sử dụng trong thiết kế của bể bơi Queen Elizabeth (địa điểm tổ chức giải đua thuyền ở London), nơi các nhà khoa học rõ ràng đã chứng minh rằng một số làn của bể bơi có dòng điện thuận lợi so với với những bể bơi khác giúp các đấu thủ trong làn bơi đó giành được lợi thế và nhiều huy chương hơn.

Rõ ràng, đây là lần thứ hai điều này xảy ra, vì trước đó hiện tượng này cũng xảy ra tương tự ở hồ bơi của Barcelona được sử dụng trong Giải vô địch thế giới 2013. Trong cả hai trường hợp, một chút khám phá thiết kế đơn giản với Simcenter và HEEDS có thể tạo ra một thiết kế hồ bơi công bằng như nhau cho tất cả các đấu thủ.

8. Chèo thuyền kayak

Kynan Maley và Robin Jeffrey trong trận chung kết Kayak London 2012 (hình ảnh của David Merrett)

Dù chúng tôi muốn giả vờ rằng yếu tố kỹ thuật tốt hơn là yếu tố thể chất trong nhiều bộ môn thể thao, nhưng sự thật là thành công thường đến với vận động viên chăm chỉ tập luyện nhất để chuẩn bị và thi đấu trong cuộc thi. Một trường hợp điển hình là Kynan Maley, người đã lọt vào Chung kết Canoeing ở London khi làm việc trong Nhóm hỗ trợ Simcenter. Trong cuộc thi này, Kynan đã sử dụng Simcenter để tối ưu hóa vị trí của các vây trên ca nô của mình.

9. Lướt sóng

Một vận động viên lướt sóng bằng ván kỹ thuật số trên làn sóng kỹ thuật số

Con người đã lướt sóng hơn 5000 năm, điều này khiến cho lướt sóng trở thành một trong những môn thể thao lâu đời nhất thế giới. Ngành công nghiệp ván lướt sóng trị giá 3 tỷ đô-la và môn thể thao lướt sóng sẽ ra mắt tại Tokyo vào mùa hè này. Nhưng lướt sóng không chỉ là một môn thể thao.

Trong văn hóa Hawaii cổ đại, nghệ thuật he’e nalu (hay “trượt sóng”) được sinh ra có ý nghĩa gần như tôn giáo, nơi những người lướt sóng thất bại sẽ kêu gọi kahuna (linh mục) để hỗ trợ họ. Một lời cầu nguyện lướt song để cầu xin các vị thần ban cho cuộc lướt sóng tuyệt vời.

Trung tâm của nền văn hóa là hành động mang tính tinh thần “tạo hình ván lướt sóng”, trong đó một thợ thủ công lành nghề bào một miếng gỗ (hoặc gần đây là polyurethane) thành một bề mặt thủy động, cẩn thận điều chỉnh hình dạng của nó để phù hợp với các điều kiện sóng cụ thể và sở thích của người lướt sóng.

Quá trình đó sắp được cách mạng hóa bởi sự ra đời của bản sao kỹ thuật số và trong Podcast này, tôi đã khám phá ra cách sóng kỹ thuật số đang được sử dụng để kiểm tra thế hệ ván lướt sóng tiếp theo được thiết kế kỹ thuật số.

Nguồn: Siemens

Công ty TNHH Công Nghệ Số SDE (SDE TECH) được thành lập năm 2014. Đến năm 2018, chúng tôi vinh dự trở thành Smart Expert Partner – đối tác hàng đầu của Siemens Digital Industries Software tại Khu Vực Đông Nam Á – Thái Bình Dương cho các giải pháp Siemens NX (Unigraphics NX), Simcenter, Solid Edge, Tecnomatix và giải pháp quản lý Teamcenter.

Quý doanh nghiệp, khách hàng có nhu cầu liên hệ SDE TECH theo thông tin sau: