图像1.通过热情的用户来测试SpringFree蹦床。
问一个孩子是否喜欢蹦床，他们的眼睛一定会闪烁着喜悦。但如果问一些家长，你可能会得到完全不同的回答。尽管提高了生产标准，覆盖了弹簧和框架，还有防护网罩，但仅在美国，每年仍有大约9万名儿童在传统蹦床上受伤。尽管如此，这种设备在世界范围内还是越来越受欢迎。
蹦床从2000年开始成为奥运会项目。专业水准的蹦床被用来训练体操运动员、潜水员、宇航员和跳台滑雪运动员。然而，在后院的运动员，通常是一个孩子，并不是这项运动的专家。而休闲蹦床的设备传统上也不如专业选手使用的结实。因此，家庭版比专业版更容易发生事故和受伤。
这种乐趣怎么会出问题呢?在很多方面，这要归功于不可避免的物理定律。传统蹦床的弹性来自连接垫子和框架的金属弹簧。当垫子被人的重量压缩时，弹簧会储存势能，然后将能量释放出来，将布料向上推到空中。一个跳投者如果落在离中心的地方，可能会被投射到侧面，从而错过垫子，击中篮框或弹簧，或者从篮框或弹簧之间的空隙中掉下去。即使有“安全网”，“”也经常连接在坚硬的金属支撑杆上或系得太松，无法控制飞驰的车身。网和席的针脚都可能因暴露在阳光下而减弱。
新西兰坎特伯雷大学工程副教授Keith Alexander博士认为必须是享受蹦床的更安全的方式。“我一直认为，作为一名工程师，我应该做一些有益于人民的东西，”他说。当他的妻子尼克他的计划为他的女儿凯蒂出发了安全问题时，他决定建立一个更好的蹦床。他开始在他的车库中工作，后来将他的研究迁移到大学，他的学生加上政府和私人补助金保持势头。
分析大量数据,亚历山大认为有三个主要影响区域的经典蹦床设计(追溯至1930年代),需要安排,这样用户就t的影响:弹簧连接框架的弹垫,金属框架本身,当然,地面。
许多原型后(从1989年开始)亚历山大抵达他的最后,创新的解决方案:移动帧跳表面以下,创建一个软垫边缘,和环绕整个张拉、抗紫外网,用户会反弹回中心如果他们命运多舛。结果是SpringfreeTrampoline[图1]，首次生产于2003年，目前在全球以每年约4万的速度销售。
图片2。一个无弹簧蹦床的创新支撑结构的特写显示了白色杆如何通过夹板连接到上部，软边的跳跃表面。杆的下端连接到安全的金属框架，坐在地上。防护网未显示。
当然，人类要素适用于任何运动：如果蹦床跳过群体（“不推荐，”表示亚历山大人）他们可以互相崩溃;即使是独奏爱好者也可以扭曲肢体，如果他们在垫子上造成错误。但斯普弗雷已经证明了比传统蹦床更安全。几项研究支持亚历山大努力的目标，展示了与其产品造成30％至80％的设备相关伤害。
跳跃对健康的益处也有记载。根据Springfree网站的数据，在任何蹦床上10分钟相当于30分钟的跑步。该网站指出，NASA已经确定，就有氧益处而言，跳跃的效率比跑步高68%。“是中高强度的运动，的效果很低。”这种垫子可以吸收跳跃时高达80%的垂直加速度和减速，同时还能提供四到五倍于重力的落地力，从而增强肌肉和骨骼的力量。
因此，如果蹦床是您的事情，斯普弗雷肯定会使后院更安全，健康，引人注目的补充。然而，这是你没有看到的最独特的：垫子边缘-60或更多的高科技防滑池，根据模型。由玻璃纤维增强聚丙烯制成，形状像宽的字母't，'这些具有圆形的中线插座，每个玻璃纤维支撑杆的球顶部配合到哪个中线插座拟合[图像2]。杆的下端连接到蹦床的金属基底。
图像3.发明者Keith Alexander拍摄的春天纤维夹板的演变。前三种原型（从左侧）直接连接到玻璃纤维杆（根据亚历山大的不太成功）。随后的型号与插入夹板插入的球顶杆。商业化的剪式夹板（第二次，持续的，侧翼，侧翼）商业化，但亚历山大觉得需要太多的装配时间。右边是亚历山大的最早版本，最新的钢板，即他转向矩阵，采用Simulia解决方案应用了设计优化的应用计算。
“我的设计的塑料边缘符合我想出的八个或九种不同版本的最复杂的位，”亚历山大说。插入垫中的增强袋中的螺旋[图像3]利用每个跳跃的向下张力，确保在向上和向下移动时杆顶部的球保持楔入插座。
一旦春天免费被商业化，就凭借其福利的单词开始传播。父母和安全协会奖，销售额将向上和生产转向高档。该公司的新西兰注塑产品，动作塑料，以繁忙的制造防滑钉，每年达到约250万台。
随着用于制造夹板的成型工具在2013年的寿命结束时绘制了夹子，“我们有一些非常重要的诱惑来构建一个新工具，我们意识到这是看优化和改善夹板组件的好时机，”哈米什麦克莱特尔说，春季弗雷新西兰有限公司的工程经理“因为在装载和机械性能方面，夹板如此复杂，我们决定我们需要一个工程顾问来帮助我们出去。我们定位矩阵应用计算，通过科学和创新专家搜索计划，并根据他们的高级功能选择了它们。“
McIntyre特别感兴趣的是Matrix的熟悉，使用Simulia的Abaqus有限元分析（FEA）软件来熟悉现实模拟，DassaultSystèmes的3DExperience应用程序。“我在U.K的空中客车上与FEA团队密切合作。并知道Abaqus有多强大，”他说。
“矩阵使用的事实是abaqus是一个让我到他们的东西之一，因为我看到了在先进的飞机设计上采取行动的软件。”
作为Guido Quesada，CAE设计工程师矩阵，召回，“我们已经熟悉SpringFree蹦床，并知道这是一个非常技术的产品。有时潜在的客户呼吁与一些有趣的玩具或疯狂的想法很难认真对待。这绝对不是这种情况。从一开始，我们知道我们对这种夹板设计项目产生了重大挑战。“
根据McIntyre的说法，挑战的两个主要驱动因素：“我们希望提高力量，极限负载能力，夹板。我们不想在组件中引入大量额外的成本。我们每年购买的数量正在扩展以及我们的销售增长。只有几分即可少对每种夹板的材料最终节省成本。我们认为这是一个调整组件并充分利用它的机会。“
于是调整开始了，从一些老式的实地研究开始。Matrix首席工程分析师唐·坎贝尔(Don Campbell)和奎萨达(Quesada)都在他们的社区里进行非正式散步，观察人们在Springfree蹦床上跳来跳去，以想象当垫子上下移动、杆串联弯曲时，钉鞋会发生什么变化。
然后它回到物理测试实验室，在那里制造了一个设备，将负载从一个杆施加到一个楔形的中心，在侧面支持它，就像插座一样[图4]。SolidWorks(也来自达索Systèmes)的CAD模型是由在测试设备中设置的杆和夹板组件制成的。CAD模型与Abaqus FEA进行网格化，通过物理测试获取的数据作为计算机模拟的输入[图5]，预测夹板几何形状的变化将如何影响强度和耐久性。
图片4。实验室测试仪器测量了杆球(左)和夹心(右)相互作用产生的力。
麦金太尔说:“从一开始，我们就与我们的模具制造商(Action Plastics公司的肖恩•德雷耶)密切合作，以确保我们的产品是可制造的。”Matrix将Moldflow软件的结果导入到他们的Abaqus模型中，以纳入玻璃纤维在夹心中的取向效应。(这种材料在大部分纤维所在的方向上强度更大，所以纤维需要尽可能地与最关键的应力对齐。)同样重要的是要考虑到来自制造过程本身的残余应力(主要是劈理部分表面比核心冷却更快的结果)。
图5楔形承台内杆球运动的Abaqus有限元分析。
随着后续设计选项的提出和评估，“最重要的挑战之一并不是斯普弗利在询问我们的情况之一，但我们对我们所能做出的改变的制造限制，”奎萨达说。
由于Matrix专注于确定新的夹板设计的最佳几何形状，他们考虑了各种各样的分析路径，然后得出一个工作流，使他们更快地通过优化过程。通过使用Abaqus来帮助他们理解结构、材料、载荷和应力之间的非线性相互作用，他们最终能够创建简化的类比，通过弯曲和扭转等基本变形模式，在几何变化、刚度和强度之间建立准确的关系。
当然，不同大小和能力的蹦床使用者会产生不同的负荷水平，说。SIMULIA的解决方案在为我们提供非线性仿真框架方面特别有帮助，因此我们可以创建最重要负载条件的非常真实的表示。Abaqus/CAE为我们的所有需求提供了一个出色的图形环境，可以在必要时编辑和调整输入文件，从而使情况变得更好。这在使用工具时建立了很大的信心。它帮助我们想出了最具成本效益的方法，为我们的客户提供了最佳的设计方案。
McIntyre说:“在我们与Matrix合作使用真实模拟技术之前，这是一个非常反复试验的过程，几乎完全基于几何形状、可制造性和物理原型，这需要大量的周转时间。”和以前相比，我想说我们现在已经领先我们好几光年了
该团队最终完成的楔形设计(图6)总体使用的材料略少，在一侧增加了两根肋，在需要的地方提供额外的支持，并更均匀地分配应力。它现在出现在全世界新的Springfree蹦床上。
图像6. Abaqus FEA模型的夹板型号“用手”显示了被认为是最有效的两个肋骨。此版本现在正在新的SpringFree蹦床上生产。
重新设计项目完成后,Quesada进一步看看最后几何使用夹板SIMULIA年代有限元分析拓扑优化建模(原子)工具,它会自动找到最优配置(重量和形状)与有限元分析组件的同时确认性能,确保强度和耐久性目标得到满足。
“我们以前的工作流程，涉及详细的CAD建模，模拟，非线性模拟和简化的模拟分析最终是非常成功的，”他说。“但是当我们应用原子以相同的设计时，这种过程变得更加迅速，有效地，自动探索最佳几何形状。我很惊讶地看到原子有助于发现我没有想到的特征，包括第三肋[图像7]。由于Atom程序在每个优化过程中使用相同的参考几何，因此它还保存了许多CAD工作。“
图片7。使用Abaqus拓扑优化模块(ATOM)优化的夹板Abaqus有限元模型确定了第三个可能的肋，可以为组件提供最佳支持。
他与Springfree分享了他的新见解;通过生产的双肋版本，通过在额外的工程和设计判断中提高了一种新的四肋设计[Image 8]，可以考虑下一代蹦床。
图8.除了主要弯曲模式外，ABAQUS FEA模型推出了第四肋的最终夹板设计的模型，引入了更多对称性和改善扭曲和侧向弯曲模式的鲁棒性。
考虑到Springfree的发明者亚历山大的后院还放着一些蹦床，可能等着孙辈们的到来，的下一代可能是不可避免的。他自己的三个孩子都不在家，他为女儿凯蒂设计的原型现在已经结婚了。
Springfree的主要专利由大学拥有，2002年卖给Springfree。虽然亚历山大目前没有所有权，但他与公司保持密切的工作关系。“我喜欢大学的工作，持续参与鲍弗雷已经有了疏通所有循环研究论文，学生项目和一个伟大的故事告诉”他说。
提交：3D CAD世界
