高尔夫球头受力状态模拟与选材研究

论文摘要

本文详述了国内外高尔夫球具的发展状况。各厂商投入大量精力以提高其产品性能,但一直以实物模型试验以及用户的评价作为改善产品性能优化设计的基础,传统的设计路线:设计-制造-试验周期长、成本高,根本无法适应现代产品开发设计模式。 文中尝试将电脑辅助设计软件Solidworks及有限元分析软件MSC.Marc结合起来,设计球头,分析高尔夫球头与球碰撞的物理现象,寻求击球瞬间球头所受到的应力冲击及球头各部位的应力状态,从中寻找不同的球头材料所受到的最大应力及允许壁厚,为球头产品的开发、性能评价提供依据。 本文通过三维设计软件Solidworks建立了三个不同形状、大小的高尔夫球头模型,体积分别为210cc、320cc、380cc,在此基础上建立了完整的有限元分析模型;结合实验结果确定模拟计算的高尔夫球的材料性能参数:球芯弹性模量为35MPa、泊松比为0.4;球壳弹性模量为270MPa,泊松比为0.38;通过有限元法对三种不同材料的一系列厚度模型模拟分析,得出:对于打击面,不锈钢厚度应该在2.5mm以上、铝合金的厚度应该在4mm以上、钛合金应该在2.3mm以上才能满足强度方面的需要,不同的模型形状和体积对厚度的要求有一定的差异。对三种不同的模型采用同种材料时的击球性能进行了模拟分析,得出了适合不同模型的材料,铝合金较适合于模型2,钛合金较适合于模型1,不锈钢仅适合于体积较小的球头模型。最后,拟定静力压缩的实验方案对模拟结果进行实验验证,结果表明,模拟得到的整体应力分布状态与试验观察到的球的变形是一致的,均发生了明显的塑性变形,尽管试验值和理论值趋势以及大小有一定的差异,但总体来说基本一致,并给出了模拟值偏大的原因。 本研究工作证实了本文中的理论、技术以及相关软件在高尔夫球头的设计开发中的应用是可行的,可以满足实际设计需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 高尔夫球杆简介
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文研究的动机、内容与目标
• 1.4.1 研究动机
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究目标及意义
• 1.5 课题来源
• 第二章 相关理论基础
• 2.1 有限元法简介
• 2.1.1 有限元法的要点和特性
• 2.1.2 有限元法的发展和现状
• 2.2 高尔夫球的碰撞分析
• 2.2.1 物体的位置描述及质量守恒方程
• 2.2.2 运动微分方程
• 2.2.3 能量方程
• 2.2.4 有限元结构离散化
• 2.2.5 纽马克（Newmark）法解法
• 2.3 接触问题的描述方法
• 2.3.1 拉格朗日乘子法
• 2.3.2 罚函数法
• 2.3.3 直接约束法
• 2.3.4 接触容限
• 2.3.5 壳体接触
• 2.4 本章小结
• 第三章 有限元模型的建立
• 3.1 概述
• 3.2 SOLIDWORKS简介
• 3.3 MARC简介
• 3.4 建模的一般步骤
• 3.4.1 问题的定义
• 3.4.2 几何模型建立
• 3.4.3 单元选择
• 3.4.4 网格划分
• 3.4.5 单元特性定义
• 3.4.6 材料性能参数的选择
• 3.4.8 边界条件定义
• 3.5 基本假设条件
• 3.6 本章小结
• 第四章 结果与讨论
• 4.1 碰撞过程分析
• 4.2 不同壁厚对应力分布及击球效果的影响
• 4.2.1 等效应力大小及分布分析
• 4.2.2 击球效果分析
• 4.3 不同模型对应力大小及击球效果的影响
• 4.3.1 不同模型对铝合金的影响
• 4.3.2 不同模型对钦合金的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验验证
• 5.1 实验方法与手段
• 5.2 试验结果分析
• 5.3 模拟结果分析
• 5.3.1 整体应力分布分析
• 5.3.2 应变片处应力分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录