动态数字孪生精准调校复合材料性能

复合材料在体育领域始终占据关键地位。新型材料正打造出更轻、更强、更耐用且可定制化的滑雪板、自行车、雪橇、冲浪板、球拍、高尔夫球杆、桨具、雪杖、冰球杆、头盔及运动鞋等装备。与此同时，体育行业对可持续性的要求持续提升，制造商需在性能与环保之间寻求平衡，而装备性能不仅取决于材料与结构，更与运动员的使用交互密切相关。

安道尔体育动力学实验室（Sport Dynamics Lab）开创了全新的性能评估方法，跳出标准化静态测试局限，精准测量装备动态响应，结合运动员遥测数据与多传感器信息，借助人工智能挖掘数据关联、输出可落地的优化建议。实验室还基于实测数据构建校准数字孪生模型，验证装备性能预测结果，大幅缩短原型研发与评测周期。

实验室创始人亚历克斯・亨格（Alex Hunger）深耕技术研发十余年，与马威克（Mavic）、萨洛蒙（Salomon）、尼德克集团（Nidecker Group）等品牌及顶级职业战队深度合作，持续迭代动态测试与数字孪生技术。

“我们通过动态测试、场地遥测与建模分析结合，为战队与制造商提供数据化的性能决策依据。” 亨格解释道，“帮助制造商厘清复杂系统的真实运行规律，实现产品设计的客观对比与材料优化。依托专利技术柔性动力学测试（Flexdynamics）与经验数字孪生闭环（Empirical Digital Twin Loop）工作流，我们将主观感受与经验假设转化为精准数据，重塑体育装备性能的测量与认知体系。” 该技术还具备跨领域拓展潜力，可应用于无人机螺旋桨、机翼等部件，动态响应特性同样决定这类产品的性能与耐用性。

三点弯曲测试已无法满足需求

亨格指出，滑雪板与单板行业几乎所有厂商，仍以静态刚度与柔顺度作为核心性能评价指标。“判断滑雪板品质与耐用性，传统方式仅靠三点弯曲测试，数值达标即判定合格。但我们测试过刚度一致的滑雪板，运动员在雪道实测时却反馈‘一款好用、一款难用’。用户感知的并非静态属性，而是动态表现。大量刚度相近的滑雪板，在扭转与弯曲阻尼上表现差异显著。”

体育动力学实验室将实验室动态测试数据，与高精度 GPS、加速度计等传感器采集的实地使用数据结合，通过人工智能工具深度解析，把装备动态行为转化为可量化数据。

阻尼是系统振动随时间衰减的特性，体育装备的振动源于动能输入，通过结构材料阻尼耗散，实际使用中还受摩擦、空气阻力等因素影响。“滑雪与单板运动员所说的响应性，本质就是扭转阻尼。” 亨格表示，“我们与尼德克集团开展的大规模关联研究，已清晰验证这一结论。”

实验室与自行车轮圈制造商马威克的合作研究同样印证了动态性能的重要性。“对比设计尺寸一致的铝合金轮组与全碳纤维复合材料轮组，其侧向性能与阻尼的关联度，远高于与刚度的关联度。” 轮组侧向性能直接影响骑行稳定性、操控性与动力传输效率，是自行车核心性能指标。

“体育行业长期存在诸多固有认知，但极少有人从物理层面测量系统真实运行状态。” 亨格说，“我们通过数据采集与分析建立客观关联，用数据揭示本质，为产品决策提供支撑。”

Sport Dynamics Lab通过实验室测试结果，结合来自精密GPS、加速度计和其他传感器的使用遥测，将动态行为转化为数据，然后使用人工智能工具获得洞察力。

技术方案研发历程

亨格拥有 20 年研发经验，早期以工业设计师与工程师身份，参与劳斯莱斯、阿斯顿马丁内饰设计，医疗行业肺容量检测设备研发，以及飞利浦照明产品开发，期间始终自主搭建测试与生产设备。“某项目需要热成型工艺，我就自制真空成型机与小型注塑机。”

冲浪板可持续材料研发，是亨格关注振动阻尼的起点。“我意识到需要专属测试方法，于是改造三点弯曲设备，加装可快速释放的摆臂，让冲浪板产生振动并测量阻尼特性，随后开发配套软件，实现高质量数据采集与重复测试，这一技术雏形诞生于 2018 年。”

亨格为该技术申请专利，命名为柔性动力学测试（Flexdynamics）。“技术核心源于产品实际使用中的物理现象，目标是最大程度还原使用场景，同时保证测试精准可重复。”

技术落地的最大难点，是解析数据背后的物理规律与数学逻辑。伴随公司发展，实验室搭建了专业遥测系统，配备厘米级精度 GNSS 全球导航卫星系统（含实时校正）与运动员训练标准传感器设备。滑雪板、自行车车架上的加速度计，可采集不同路况、速度下的振动信号与频率特征，结合实验室测试数据交叉验证，实现对装备性能的深度理解。

最终，实验室将精准数据、物理解析、智能分析与可视化整合，形成完整服务体系，提供研发、测试、结果解读全流程服务，客户遍布南非、法国、瑞士、亚洲等地区，涵盖体育品牌、代工厂、职业战队与运动员。

柔性动力学测试工作原理

以滑雪板测试为例，实验室先确定装备实际使用中的受力接触点，作为设备支撑基准，支撑点限制垂直位移，其余方向可自由活动；加载臂对准滑雪板固定器安装位置，通过软件设定 2-30 毫米下压位移，保压不足 1 秒记录受力数据后快速释放，滑雪板产生自由振动。

设备搭载的传感器以约 240 次 / 秒的频率采集振动信号，直至振动停止。软件自动重复测试，直至 10 次试验初始位移误差控制在 ±1 毫米内，随后依次测试板头、板尾性能，切换为扭转测试模式，记录扭转角度、扭力数据后，开展 10 次重复阻尼测试。所有数据经人工智能工具滤波、模式识别，输出客观评测结果，实现 AI 自主学习迭代。

扭转测试是核心环节。“扭转直接改变滑雪板、单板的阻尼特性，关联研究证实，这正是运动员感知性能的关键。无扭转的柔性动力学测试，与运动员主观评价几乎无关联；整合阻尼与扭转全维度数据，才能精准判断厚度、设计、材料变化对实际使用性能的影响。”

首阶响应、能量耗散与复杂系统解析

体育动力学实验室测试的产品，大多属于欠阻尼系统，受扰动后振动衰减并趋于稳定。“这类系统的核心特征，集中体现在响应初始阶段。” 亨格解释，“首阶回弹峰值可计算回弹超调率，例如下压 10 毫米后回弹 5 毫米，回弹率为 50%；回弹 7 毫米则为 70%。”

柔性动力学测试超越传统三点弯曲，不仅可测量刚度，还能获取阻尼、扭转全维度数据，包含首阶响应、阻尼系数等指标，形成材料、设计、系统的动态指纹，为横向对比提供标准。

“首阶峰值还能反映结构回弹速度。两款静态刚度相同的滑雪板，回弹速度可能截然不同，这种回弹节奏就是运动员所说的‘爆发力’与‘响应性’，对单板、滑板的跳跃、旋转动作至关重要。”

     除首阶峰值外，实验室还量化振动衰减速率与系统能量耗散效率。“实际装备的阻尼为有效阻尼，不仅包含材料阻尼，还涵盖界面、摩擦、装配结构损耗，部分产品还涉及轮胎、固定器系统。我们提取能量吸收与控制指标，为自行车车把等部件提供核心优化依据。”

自行车车把由多管件组成，系统复杂度较高，而自行车轮组更为复杂，辐条张力、辐条与轮圈材料、轮圈截面、轮胎规格、胎压、胎壳厚度等多变量相互作用。供应商往往仅关注单一部件性能，但骑手感知的是系统级动态响应。

“我们的技术正是为这种真实场景设计。” 亨格表示，“将实验室可控测试与装备、运动员传感器遥测数据结合，构建完整性能图谱，解析路面、雪道与运动员带来的激励信号，精准还原实际使用中的动态特性。”

仿真模拟与全流程解决方案

有限元分析（FEA）与仿真技术，是性能预测与验证的核心支撑，可加速原型研发与评测。实验室将柔性动力学测试与多类型仿真软件结合，还原真实载荷与边界条件，静态有限元分析精度可达 ±3%，实现建模与实测高度契合。

厂商可提供 3-20 种不同结构方案，实验室同步开展柔性动力学测试与对应有限元仿真，精准表征材料性能，配合自动化分析工具，构建经验数字孪生闭环，不仅能评估现有性能，还可输入设计变更，预测并验证全新性能表现。

实验室将数据可视化并上线云端平台，用户可查看速度地图、运动员运动学数据、系统振动与阻尼状态，不仅能理解产品性能，还能获取过弯等动作的优化建议。数据可与校准后虚拟孪生模型联动，多指标综合解读，实现不同装备在多场景下的横向对比。

“我们不仅做测量，更将测试与建模整合到研发工作流中，打造端到端全流程解决方案。” 亨格补充道，“不局限于柔性动力学测试结果，而是结合统计模型与人工智能分析，输出全方位决策支持。”

生物基与回收复合材料的性能评估

可持续材料研发是亨格深耕的领域。2017 年冲浪板研发项目中，他获得熵树脂（Entropy Resins）支持，该公司是生物基环氧树脂先驱，2018 年被古珍兄弟公司（Gougeon Brothers）收购；亨格还与巴普公司（Bcomp）合作，开展亚麻纤维增强材料研究。

“众多企业希望从传统复合材料转向环保可持续材料，五六年前生物基环氧树脂应用受限，如今市场接受度显著提升，但行业仍需数据支撑，建立对生物复合材料实际性能的信心。数据驱动的测试、建模与人工智能辅助分析，可加速技术迭代，减少试错成本。” 

亨格观察到，部分品牌追求可持续性却不愿调整设计。“新材料往往需要微调产品厚度，才能保持原有弯曲性能。我们的方案是摒弃实地试错，先在实验室建立现有产品的静态、动态性能基准，再开展原型材料迭代筛选，待方案定型后开展实地验证，全程用数据佐证阻尼、扭转性能变化，降低新材料应用风险与成本。”

未来应用场景拓展

体育动力学实验室正推进符合 ISO 标准的测试流程与认证体系，技术应用逐步跳出体育领域，迈向更广阔市场。“我们的方法更贴近航空航天标准，同时适配体育行业低成本、短周期的需求，打造高性价比、高灵活性的解决方案，无需为自行车轮组开展多年研发。”

数据、建模和人工智能辅助分析可以对冲浪板等应用中的不同材料进行比较，这有助于确保性能保持甚至提高，例如，使用新的、更可持续的材料和工艺。

柔性动力学测试设备已完成适配升级，可测试更多品类产品、材料与动态特性。除传统刚度、回弹、阻尼指标外，实验室定制多款夹具，开展轮胎自由响应、渐进载荷与压力测试，拓展至弹性体材料、泡沫材料、多孔结构等领域，还可整合多类型测试设备协同工作。

未来核心应用方向包括无人机、赛车等领域。“无人机市场快速扩张，螺旋桨、机翼、支架等部件需承受持续动态载荷，我们的技术可精准评估其性能。赛车气动弹性领域同样具备应用潜力，例如仅靠气动载荷驱动的被动部件，我们可完整测量其动态表现。” 亨格表示，公司将稳步推进技术落地。

   运动动力学实验室未来可能的应用包括无人机和赛车运动中承受高振动载荷的结构。

“我们已积累多品类、多结构、多材料的测试经验，可构建精准仿真模型，预测结构与系统的动态响应。我们始终追求数据的精准性与实用性，助力企业与战队做出关键决策。技术已覆盖骑行、雪上运动、复合材料等领域，将主观感受与经验认知转化为可测量的物理规律与客观数据。复合材料本身是组件系统，而我们优化的装备是更高维度的系统，既要优化复合材料性能，更要统筹整体设计，而这一切，都离不开可靠的数据支撑。”

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。