比风更快

作者:Steve Collie，空气动力学工程师，阿联酋航空新西兰队，奥克兰，新西兰

Ansys多物理工具集成套件-流体、结构和复合材料万博模拟-帮助ETNZ铺平道路。”

美洲杯帆船赛是精英帆船赛的首要赛事，深受帆船赛爱好者的期待。自1851年以来，每隔几年举行一次，来自世界各地的船只和水手们竞争赢得高度珍贵的奖杯。下一次比赛将于2017年在百慕大举行。这场激动人心的比赛对船员们的身体和精神都是一种挑战，但在幕后和比赛前，美洲杯帆船赛需要大量的工程设计，必须在紧凑的时间表上进行。由于对如此复杂的船只进行所有可能的改进的物理测试是不可想象的(更不用说在经济上无法维持)，阿联酋航空新西兰团队(ETNZ)已转向Ansys多物理工程模拟软件，以开发可靠、坚固和具有竞争力的船只。manbet万博

航空航天技术——包括先进的空气动力学、轻质材料、风洞测试和先进的模拟技术——已经彻底改变了美洲杯赛车的运动。如今的杯级游艇使用的机翼更类似于飞机的机翼或翼型，而不是传统的帆。机翼使双体船能够将风转化为前进的动力(而不是像飞机那样转化为升力)。

机翼设计

机翼是由一个主单元和一个从主单元后面铰接的襟翼组成的两单元翼型。这个主要元素是一个刚性结构，构成了机翼的前缘，这是主要的结构梁。襟翼包含三个部分，可以通过改变主部件和襟翼之间的角度来增加升力。单个襟翼节段可以扭曲，以消除单个节段的动力，并改变气动压力的中心。液压驱动器用于弯曲和扭转襟翼段，以最有效的气动形状基于当时的航行条件。

第一阶段仿真中采用的单段襟翼简单模型

比赛规则确定了这些游艇设计的许多方面，如船体形状、机翼形状和甲板布局。因此，除了一名熟练的船员提供的贡献外，美洲杯帆船赛的胜负很大程度上取决于底层系统的能力，包括机翼结构，在各种航行条件下都能提供最佳性能。阿联酋航空新西兰队的工程师们在2013年的最后一场比赛中险胜后，在巨大的时间压力下为一艘新的测试游艇设计了这些系统，以便在2017年的比赛前按计划进行。使用Ansy万博s流固相互作用(FSI)多物理场和复合材料模拟，ETNZ能够在过程早期虚拟测试数百种变化，从而在执行任何物理测试之前找到最佳设计。使用实际船进行测试既耗时又昂贵，而且不可能在没有模拟的情况下对所有设计权衡进行物理测试。

机翼结构

主要部件和襟翼都是用轻质肋骨和覆盖热塑性薄膜的梁建造的。襟翼单元本身包括三个部分-襟翼1、襟翼2和襟翼3 -从下到上。拉动和缓解控制线路的液压执行器连接到每个襟翼部分顶部和底部的控制站。

快速有效地控制襟翼扭转的能力是快速、准确、良好控制航行的关键。襟翼变形必须优化，以提供所需的跨度升力分布，同时实现重量目标。极端的扭曲会导致襟翼的巨大张力。例如，襟翼3在其长度上扭转了20度。由于这些大变形——以及用于预拉伸机翼表面热塑性膜的热边界条件——优化需要非线性结构分析。

“今天的美国杯级游艇使用的机翼更类似于飞机的机翼或翼型，而不是传统的帆。”

预测空气动力压力

确定气动压力使用万博Ansys计算流体动力学在模拟过程中，ETNZ的工程师从主要部件和襟翼的计算机辅助设计(CAD)模型开始。他们将CAD模型扭曲到所有允许的襟翼形状，并创建了用于流动分析的逆域模型。他们模拟了每种形状在大范围风速和角度以及船只状态下的表现。结果被制定成一个矩阵，用于性能模拟器，以预测基于风力条件，机翼的修剪，风向和更多的船性能。万博Ansys DesignXplorer最大限度地减少了精确表示参数空间所需的模拟次数。这种分析需要评估大量变量的影响。开放的Ansys框万博架允许使用内部脚本完全自动化整个模拟过程。

机翼CAD模型

结构仿真

襟翼设计过程始于CAD中定义的初始几何方案。利用Ansy万博s Workbench，工程师建立了结构有限元模型。襟翼由轻质复合材料制成，因此使用Ansys Composite PrepPost设计并优化了整个叠层结构。万博为了建立单向FSI模拟，许多CFD分析的压力被导入并映射到结构上。由于CFD模拟是基于变形的机翼形状进行的，因此必须使用ETNZ工程师编写的脚本将压力数据转换为未变形的机翼形状，以便将其应用于结构模型。压力可以映射到结构使用万博Ansys机械．该流程和模型是在Ansys和渠道合作伙伴LEAP Australia的技术专家的协助下开发的，这使得ETNZ能够满足严格的期限要求。万博

ETNZ工程师逐步增加了结构模型的复杂性。阶段1是用于结构设计的单个襟翼的简单模型。第二阶段是三个襟翼的组合模型，主要用于设计连接几何形状。在阶段3中，使用CFD模拟确定的压力来加载阶段2中开发的模型。该分析确定了连接襟翼所需的载荷，进而用于设计液压执行器和控制系统。

该团队进行了数百次迭代来优化几何结构和层压结构，以实现目标形状，并在指定的加载条件下最大限度地减少输入力矩。与此同时，在确保它能够承受比赛期间预期的载荷的同时，还努力将结构的重量降至最低。

船下水，设计继续

所描述的设计被用于2016年夏天下水的一艘45英尺长的测试船。与此同时，ETNZ的工程师正在创建一个更全面的模型，包括主要元素及其与游艇的连接;后来，它将被扩展到游艇结构本身。工程师们将使用该模型进行主要部件的详细设计，并使用双向FSI分析结构对机翼空气动力学的影响。双向FSI分析将首次使研究机翼的动态响应成为可能，当它被一阵风击中时，当帆被修剪时，或者当船经历像钩和钉这样的机动时。

目前的设计速度将比10年前美洲杯帆船赛的速度快大约4倍。这一增长的主要原因是现在的杯赛参赛队使用双体船，而不是过去使用的单体船。在船板上飞行也大大提高了最高速度。从帆转到翼可以进一步提高速度。

在尽可能少地浪费能源的情况下，将风力转化为速度并非易事。ETNZ使用100%模拟驱动的开发流程来测试数千种替代方案，以满足其机翼的设计目标，包括在保持重量目标的情况下准确和快速控制。集成的Ansys多物理工具套件，包括流体，结构和万博复合材料模拟帮助ETNZ铺平道路。最终目标是重复1995年和2000年的成功，把奖杯带回新西兰。

阿联酋航空新西兰队由Ansys渠道合作伙伴提供支持万博澳大利亚的飞跃以及Ansys的复合材料设计专家。万博