比风还快

史蒂夫·柯利，空气动力学工程师，新西兰奥克兰阿联酋队

Ansys集成的多物理场工具套件——流体、结构和复万博合材料模拟——帮助ETNZ顺利完成任务。”

美洲杯帆船赛是帆船赛的顶级赛事，球迷们对此翘首以盼。自1851年以来，每隔几年举办一次，来自世界各地的船只和水手争夺最高的奖杯。下一届活动将于2017年在百慕大举行。这项激动人心的比赛对船员的身体和精神都是一项挑战，但在幕后和比赛前，美洲杯帆船赛的船只需要大量的工程设计，必须在紧凑的时间表内完成。由于对如此复杂的船舶进行所有可能的改进的物理测试是不可想象的(更不用说经济上的难处了)，新西兰阿联酋航空团队(ETNZ)求助于Ansys多物理场工程仿真软件来开发一艘可靠、坚固和有竞争力的船。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运动。今天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

机翼是两元素的翼型，包括一个主要元素，连同一个皮瓣单位，从主元素的背面铰接。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。襟翼包含三个可以弯曲的部分，通过改变主要元件和襟翼之间的角度来增加升力。单个襟翼可以通过扭曲来减少单个襟翼的动力并改变气动压力中心。液压执行器用于根据当前航行条件将襟翼弯曲和扭转成最有效的气动形状。

第一阶段模拟中使用的是单个皮瓣段的简单模型

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，除了熟练船员的贡献外，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，在各种航行条件下提供最佳性能。阿联酋航空新西兰队的工程师们从2013年的最后一场比赛中以微弱劣势恢复过来，他们面临着巨大的时间压力，要在五个月的时间框架内为一艘新的测试游艇设计这些系统，以保持他们在2017年比赛前的时间表。利用Ansy万博s流固耦合(FSI)多物理场和复合材料模拟，ETNZ能够在进行任何物理测试之前，在过程的早期测试数百种变化，以找到最佳设计。使用实际船进行测试既耗时又昂贵，而且如果没有模拟，就不可能对所有设计折衷进行物理测试。

机翼结构

主要元素和襟翼都是用轻质肋和覆盖着热塑性薄膜的梁建造的。皮瓣本身包括三个部分-皮瓣1，皮瓣2和皮瓣3 -从下至上运行。牵拉和放松控制线的液压执行器连接到每个襟翼部分的顶部和底部的控制站。

快速有效地控制襟翼扭转的能力对于快速、准确、控制良好的航行至关重要。襟翼变形必须优化，以提供所需的跨方向升力分布，同时实现重量目标。极端的扭转会导致襟翼产生很大的张力。例如，皮瓣3在其长度上扭曲多达20度。由于这些大的变形-以及用于预拉伸机翼表面热塑性薄膜的热边界条件-优化需要非线性结构分析。

“如今的美洲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

以确定空气动力压力使用万博Ansys计算流体动力学在模拟过程中，ETNZ的工程师们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模型扭曲成允许襟翼形状的全部范围，并创建了用于流动分析的反域模型。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。结果被形成一个矩阵，用于性能模拟器，根据风向、机翼的修剪、迎风方向等因素来预测船只的性能。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仿真过程。

机翼CAD模型

结构仿真

襟翼设计过程从CAD中定义的初始几何方案开始。利用Ansy万博s Workbench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对整个层叠进行了设计和优化。万博为了建立单向FSI模拟，从许多CFD分析中导入压力并将其映射到结构上。由于CFD模拟是基于变形翼形进行的，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翼形，以便将其应用于结构模型。然后，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ETNZ能够满足紧迫的最后期限。万博

ETNZ工程师逐渐增加了结构模型的复杂性。第一阶段是一个简单的单皮瓣模型，用于结构设计。第二阶段是所有三个襟翼的组合模型，主要用于设计连接的几何形状。在第三阶段，利用CFD模拟确定的压力来加载第二阶段开发的模型。该分析确定了铰接襟翼所需的载荷，进而用于设计液压致动器和控制系统。

该团队进行了数百次迭代，以优化几何形状和层压板结构，以达到目标形状，并在指定的加载条件下最小化输入力矩。同时，努力使结构的重量最小化，同时确保它能够承受比赛期间的预期负荷。

船下水，设计继续进行

2016年夏天，一艘45英尺长的测试船使用了上述设计。与此同时，ETNZ的工程师们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;稍后将扩展到游艇结构本身。工程师将使用该模型对主要部件进行详细设计，并使用双向FSI来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，当帆被修整时，或者当船经历像陀螺和大头针这样的机动时。

目前的设计将达到比十年前参加美洲杯比赛的船只快四倍的速度。这一增长的主要原因是杯赛队现在比赛双体船，而不是过去使用的单体船。用船的尾翼飞行也极大地提高了最高速度。从帆到翼的移动提供了进一步的实质性的速度提高。

在尽可能少地浪费能源的情况下将风转化为速度并非易事。ETNZ使用100%模拟驱动的开发过程来测试数千种替代方案，以满足其机翼的设计目标，包括精确和快速的控制，同时保持重量目标。集成的Ansys多物理场工具套件，包括流体，结构万博和复合材料模拟，帮助ETNZ顺利进行。最终目标是复制1995年和2000年的成功，并将奖杯带回新西兰。

阿联酋航空新西兰队得到了Ansys渠道合作伙伴的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