Design and optimization of an hourgalss-shaped shockpad for next generation turf systems

The present thesis work concerns the designing and the optimization of a new hourglass-shaped geometry for shockpads used in third generation artificial turfs. A particular focus is addressed on the study of the cushioning properties of such product evaluated by means of a specific Force Reduction (FR) test. According to Fédération Internationale de Football Association (FIFA), the test must be performed directly on the shockpad with a standard apparatus, named Berlin Artificial Athlete. The aim of the work is to develop a model able to correlate the geometric features of the proposed shockpad design with the final FR displayed; this way it would be possible to predict the performances of the final product during the design phase. Initially, a 3D numerical model was employed to simulate the FR test on two commercial shockpads; the model was validated by comparing simulated and experimental results of the same test. Studying the behavior of these shockpads it was possible to identify a suitable geometry for the scope of this work. A predictive model was then developed by representing the loading conditions of the test in an analytical way, and a parametrical dependency between the FR and the geometric dimensions of the new geometry was identified. Finally, four different versions of the same geometry were modeled by tuning their geometrical parameters according to the predictive model; subsequently they were implemented in the 3D numerical model for evaluating their FR. A range of FR between 20% and 74% was obtained from the optimization, showing this way, that it is possible to achieve a wide range of FR by tuning the geometrical parameters of an hourglass-shaped shockpad.

Il lavoro di tesi proposto riguarda la modellazione e l’ottimizzazione di una nuova geometria a forma di clessidra per produrre uno shockpad utilizzato come ammortizzatore nei manti di erba sintetica di terza generazione. Il focus di questo lavoro è rivolto in modo particolare allo studio delle proprietà ammortizzanti di questo prodotto valutate attraverso uno specifico test di Force Reduction (FR). Secondo le normative previste dalla Fédération Internationale de Football Association (FIFA), il test deve essere eseguito direttamente sullo shockpad con una strumentazione standard, chiamata Atleta Artificiale di Berlino. Lo scopo di questo lavoro è di sviluppare un modello capace di correlare le caratteristiche geometriche dello shockpad proposto con la sua FR; in questo modo è possibile prevedere la performance del prodotto finito direttamente nella fase di design. Inizialmente, è stato adoperato un modello numerico 3D per simulare il test di FR su due prodotti commerciali di questo tipo; la validazione del modello è stata eseguita testando sperimentalmente gli shockpad allo stesso modo. Lo studio del comportamento di questi oggetti ha reso possibile l’identificazione e lo sviluppo di una geometria adatta allo scopo del lavoro. Il modello predittivo sviluppato rappresenta le condizioni di carico del test in modo analitico e identifica una dipendenza parametrica tra la FR e le caratteristiche geometriche dello shockpad. In conclusione, quattro diverse versioni dello shockpad sono state modellate ottimizzandone la geometria per mezzo del modello predittivo; successivamente sono state implementate nel modello numerico 3D per misurarne la FR. Da questo processo è stato ottenuto un intervallo di FR compreso tra il 20% e il 74%, ed è stato quindi dimostrato che è possibile ottenere un ampio intervallo di FR solo modificando i parametri geometrici di uno shockpad a forma di clessidra.