Parametric analysis of athletic tracks performance via FEA and Kriging-based surrogate modelling

This work is focused on the improvement of the simulation capabilities via FEM modelling of athletic tracks with the introduction of frictional interactions, and on the use of this improved model to study parametrically the influence of track geometry on the cushioning performance. The first goal is achieved through a characterization procedure performed on three different materials and based on compression, stress relaxation and friction test, which is employed to remove the influence of friction during determination of the materials properties. This allows the introduction of friction as an external variable in the system, as demonstrated by the Artificial Athlete simulation presented. This improved model is the base used to perform an intensive parametric study on the influence of multiple geometrical variables on the Force Reduction measured on athletic tracks. Specifically, the current state of the art and an innovative shape have been used as the basic geometrical feature for the track pattern, of which many possible geometrical variations have been simulated and compared. Finally, the data obtained were used to perform and validate a surrogate model based on Kriging interpolation: This model revealed to be an extremely effective tool to better understand the influence of geometrical parameters and to rapidly evaluate an extremely broad spectrum of design possibilities with a highly manageable cost.

Questo lavoro si concentra sul miglioramento delle capacità di simulazione FEM delle piste di atletica mediante l’introduzione dell’attrito dall’interno del modello, e sull’uso di questo modello migliorato per studiare l’influenza dei parametri geometrici delle piste sulle proprietà ammortizzanti. Il primo obiettivo è stato raggiunto grazie ad una procedura di caratterizzazione eseguita su tre materiali, che unisce test di compressione, rilassamento degli sforzi ed attrito, e che è stata utilizzata per rimuovere l’effetto dell’attrito dalle proprietà del materiale. Questo ha permesso l’introduzione dell’attrito come fattore esterno del sistema, come dimostrato dalla simulazione dell’atleta artificiale qui presentata. Questa versione migliorata del modello è stata la base per un esteso studio parametrico sull’effetto di alcune variabili geometriche sul valore di Force Reduction misurata sulle piste di atletica. Nello specifico, l’attuale stato dell’arte e una proposta innovativa sono state utilizzate come figure geometriche di base per la struttura alveolare della pista, di cui numerose possibili variazioni geometriche sono state simulate e comparate. Infine, i dati così ottenuti sono stati impiegati per costruire e validare un modello surrogato basato sull’interpolazione mediante Kriging. Questo modello si è rivelato uno strumento estremamente efficace per meglio comprendere l’influenza dei vari parametri geometrici e per prevedere rapidamente le proprietà di un ampio spettro di possibili soluzioni a fronte di un costo computazionale ridotto.