速度自由

由史蒂夫·柯利，空气动力学协调员，阿联酋队新西兰，奥克兰，新西兰

在过去的四分之一个世纪里，美洲杯帆船赛的帆船在形式和功能上经历了彻底的转变，以符合不断发展的设计规则。在同一时期，阿联酋航空新西兰队率先在其设计过程中扩展了Ansys仿真软件的使用，成为首屈一指的赛车联盟。万博为了在2021年捍卫杯赛，该团队再次依靠Ansys和内部仿真工具的组合来有效评估大型设计空间，因为它寻求设计一个平衡速度和机动性的单翼船体。万博

在1851年的第一届美洲杯帆船赛上，帆船“美洲号”赢得了冠军，它在英国怀特岛的一场比赛中击败了其他14艘船，比赛持续了10多个小时。美国以当时激进的设计击败了英国军舰，证明了技术进步是赢得比赛的关键。在接下来的132年里，船队赛让位给了比赛，美国帆船队连续24次成功卫冕，最终在1983年被来自澳大利亚的挑战者击败，后者采用了技术先进的翼龙骨设计。从那以后，美洲杯的最后10场比赛中，一支具有挑战性的球队获得了5次胜利。2017年，新西兰阿联酋航空队在百慕大击败了来自英国、日本、法国和瑞典的参赛队伍，并在最后的13局四胜制系列赛中击败了美国队，夺回了“金杯”奖杯。

第36届美洲杯将于2021年3月在奥克兰的怀特马塔港举行，新西兰阿联酋队将自2003年以来首次作为捍卫者启航。在过去的三十年里，船的设计规则发生了很大的变化，从国际美洲杯级别(IACC)的单体船(1992-2007)到翼帆双体船(2010-2017)，再到目前的AC75级别，其特点是单体船和软帆的回归。在此期间，新西兰航空公司一直是世界杯的有力竞争者，在1995年和2000年连续夺冠，并且一直是将建模和仿真工具纳入其设计过程的先锋。

早期的差异化因素

在20世纪90年代末，该团队使用了模拟，包括万博Ansys流利用于计算流体动力学(CFD)分析，但主要用于补充风洞试验和全尺寸试验。设计师当时处理的许多问题是在计算资源是一个限制因素的时代评估不同的湍流模型和网格策略。为了确定设计“A”是否比设计“B”更好，设计首先在风洞中进行了测试，然后在水上进行了测试。这个团队会花几个星期的时间来比较一艘船和另一艘船，并排航行几个小时。为了得到一个有意义的结果，这种重复是必要的，因为一个水域的条件可能与几百米之外的另一个地区非常不同。

研究小组发现，使用CFD的一个优势是可以对不同船体和船帆形状上的空气和水的运动进行3D可视化模拟预测。这有助于阿联酋航空新西兰队更多地了解在风洞中难以实现的航行条件下的空气动力学。任何单一的、小的设计变化都可能不是阿联酋航空新西兰队获胜的原因，因为机组人员的技能和经验对于适应现实条件仍然至关重要。然而，当几秒钟的时间决定胜负时，模拟的加入使团队能够在建造最终的比赛船之前预测许多小变化的累积效应。设计师们承认，模拟是赢得世界杯的重要组成部分。

广泛采用和新的设计规则

随着越来越多的赛艇组织将模拟能力加入到他们的设计库中，在接下来的四场比赛中，奖杯又转手了两次，82英尺(25米)的IACC设计让位给了带有刚性翼帆的多体帆船。限制风洞测试和全尺寸测试的设计规则进一步增加了团队对模拟的依赖;因此，团队采用了结构分析软件，包括万博Ansys机械和Ans万博ys复合预post (ACP)到其建模工具箱。

在IACC时代早期，单帆软帆帆船的平均速度被限制在10节(11.5英里)左右，而在几次杯赛中，新船体概念、轻质材料和翼帆的结合从根本上将比赛速度提高到了40节(46英里)左右。随着额外的风力转化为更高的前进动力，多体双体船现在基本上可以依靠一种被称为匕首板的薄水翼船在水面上飞行。曾经在IACC船上需要几个小时的比赛，现在用桨叶船30分钟或更短的时间就能完成。以前的工程挑战是尽量减少波浪对船体的阻力，而现在的工程挑战是设计结构来处理翼帆产生的巨大力量，并确保水手在这种速度下能够控制船只。具体来说，研究小组需要一种能够承受肋骨、翼梁和襟翼大变形的机翼。新的航线设置得更靠近海岸，以便让大批观众看到，这需要更多的航行动作，这进一步改变了设计。

为了实现船舶性能与可操控性和机动性的平衡，阿联酋航空新西兰团队将Ansys结构和CFD模型的大设计空间与传统的速度预测程序(VPP)结合到一个名为Gomboc的内部工具中。万博Gomboc也被团队称为“模拟器”，可以实时模拟不同的航行条件，用于研究机翼和船体设计的每种变化。对于更复杂的计算，它可以从现有库或响应面中选择结果。万博Ansys排名用于分析不同条件下的船和帆的构型，以确定完整的气动力和力矩。

这些条件可能包括不同的攻角或船的不同姿态，如偏航，脚跟或俯仰。根据气动结果，仿真器可以找到力和力矩的平衡，并预测速度。

模拟器一开始更像是一个在键盘上玩的电子游戏，尽管它的主干是物理。随着时间的推移，人机界面包括多个屏幕、虚拟现实耳机和许多水手在游艇上使用的相同设备，包括方向盘和控制设备。让水手们实时获得模拟器的反馈，这是一种有效的方式，可以回答他们的问题，并找出该问什么问题。这些反馈给了团队信心，让他们知道一个给定的设计在下水之前会有什么样的表现。然后，他们可以根据模拟器的预测对自己的水上表现进行基准测试。通过实验测试的传感器数据进一步完善，阿联酋航空新西兰队在模拟器中的虚拟航行经验有助于为竞争对手提供必要的优势。新西兰阿联酋队(Emirates Team New Zealand)在2013年旧金山杯决赛中险胜，2017年在百慕大取得了压倒性胜利。

胜利者保留着箔纸

在翼帆和多体帆船主导了10年之后，2021年世界杯的设计规则于2018年初公布。规则规定单体船要有软帆，但两边要有倾斜的t翼水翼。每支队伍最多只能有两艘75英尺(23米)的船，但也可以建造长达39英尺(12米)的测试船，以进行额外的水上测试。该团队只有几个月的时间来设计1号船，因此完全依赖于模拟来比较不同的翼片、船体和帆装置的性能。

对于箔设计，规则要求遵守特定的几何和质量约束。阿联酋航空新西兰队及其竞争对手一直在评估不同的箔片形状，以适应各种不同的速度条件。例如，细长的箔片可能在更高的速度下工作得更好，但需要添加压舱物以符合质量规则。箔片有液压和电子控制系统，可以像飞机襟翼一样为襟翼提供动力，以调节垂直水动力。阿联酋航空新西兰队正在使用Ansys CFX和Ansys Mechanical来万博模拟箔片和控制系统中涉及的流体力学和结构力学之间的复杂关系。

除了箔设计之外，阿联酋航空新西兰团队还对船的几乎每一个结构部件进行了全面的分析。在2017年的活动中，设计师主要使用机械设备对CFX进行翼帆的耦合流固耦合(FSI)分析。对于2021年的比赛，单个组件使用Mechanical建模，ACP中还有船体和甲板的全球复合模型。这些组件必须满足不同的强度或刚度要求，基于钻机载荷、撞击载荷和流体动力载荷，同时仍然在重量和性能之间保持平衡。

随着软帆的回归和全面测试的时间有限，帆形分析也是一个最受关注的问题。由于船帆似乎有无数种修剪方式，设计师们已经使用CFX进行了超过10万次不同船帆形状的模拟。船体的空气动力学分析比以往任何时候都更加重要，因为船体将花费大量时间进行阻水，因此该团队还评估了大约1000种不同的船体几何形状。通过参数化船体和船帆，他们可以有效地生成非常大的设计矩阵，然后在模拟器中使用。

向防御机动

Ansys软件使仿真过程自动化，使设计师能够在一周内完成以前需要六个月才能完成的工作。万博万博Ansys仿真软件使新西兰团队能够更快地进行创新。例如，通常使用一个简单的结构模型来验证基于过去经验的初始概念。然后对简单模型进行了改进，以考虑更多的加载效应。任何想法都不是个坏主意，因为模拟可以让团队探索许多不同的概念，并以相对低廉的成本进行测试。

当阿联酋航空新西兰队在水上验证其设计时，1号船(命名为Te Aihe -毛利语为“海豚”)和12米长的测试船(Te Kahu -“鹰”)都在桅杆上安装了传感器，因为桅杆弯曲会影响帆的形状。然后，传感器数据提供有关压缩应变的信息，水手可以在测试加载和卸载钻机时使用这些信息来改变帆的形状，以在给定的风条件下获得更高的速度。

从Te Aihe和Te Kahu的建模和测试工作中收集到的情报对于阿联酋航空新西兰队设计和建造2号船至关重要，这将是该团队的主要比赛游艇。这种实时监控和模拟许多设计变化之间的比较，给了团队理解和最终的信心，推动所需的边界，再次捍卫世界杯。

阿联酋航空新西兰队得到了Ansys渠道合作伙伴LEAP Australia和Ansy万博s复合材料设计专家的支持。