速度自由

由史蒂夫科利，空气动力学协调员，阿联酋航空新西兰队，奥克兰，新西兰

在过去的四分之一个世纪里，美洲杯帆船赛的游艇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，阿联酋航空新西兰车队在其设计过程中率先并扩展了Ansys仿真软件的使用，成为首屈一指的赛车辛迪加。万博为了在2021年卫冕杯赛，该团队再次依靠Ansys和内部模拟工具的组合来有效评估大型设计空间，因为它寻求设计一种平衡速度和机动性的单体。万博

在1851年的第一届美洲杯帆船赛上，获胜的帆船是美国号纵帆船，它在英国怀特岛的一场持续10多个小时的比赛中击败了其他14艘帆船。美国在当时以一种激进的设计击败了英国船只，证明技术进步是赢得比赛的关键。在接下来的132年里，船队比赛被比赛取代，美国财团连续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。从那时起，在过去的10届美洲杯赛事中，一支具有挑战性的球队获得了5次冠军。2017年，阿联酋航空新西兰队在百慕大群岛击败了来自英国、日本、法国和瑞典的参赛队伍，重新获得了“Auld Mug”奖杯，并在最后的13场4胜制系列赛中击败了美国队。

第36届美洲杯帆船赛将于2021年3月在奥克兰的韦特马特港举行，这是新西兰酋长队自2003年以来首次作为捍卫者参赛。在过去的三十年里，从国际美洲杯级(IACC)单船体(1992-2007年)，到翼帆双体船(2010-2017年)，再到目前的AC75级，其特点是单船体和软帆的回归。在这段时间里，新西兰酋长队一直是杯赛的有力竞争者——在1995年和2000年连续夺冠——并一直是将建模和仿真工具融入设计过程的先锋。

早期鉴别器

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，但主要是补充风洞测试和全尺寸测试。设计师当时解决的许多问题都是在评估不同的湍流模型和网格划分策略时，当时计算资源是一个限制因素。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测试，然后在水上进行测试。该团队会花数周时间对一艘船与另一艘船进行基准测试，并排航行数小时。这种重复是需要得到一个重要的结果，因为一个水域的条件可能与几百米外的另一个水域非常不同。

研究小组发现，使用CFD的一个优势是可以对不同船体和帆形上的空气和水的运动进行三维可视化模拟预测。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、微小的设计变化可能都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仍然是适应现实情况的最重要因素。然而，当胜负只差几秒钟时，模拟的加入让团队在建造最终的比赛船之前预测许多小变化的累积影响。设计师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

随着越来越多的赛车集团在设计中加入模拟技术，在接下来的四场比赛中，杯赛又换了两次手，82英尺(25米)的IACC设计让位于带有刚性翼帆的多壳艇。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，该团队整合了结构分析软件，包括万博Ansys机械和Ans万博ys Composite PrepPost (ACP)到其建模工具箱。

在IACC时代的早期，软帆单船体艇的平均航速被限制在10节(11.5英里/小时)左右，在几届杯赛中，新船体概念、轻质材料和翼帆的结合从很大程度上提高了比赛速度到40节(46英里/小时)左右。随着额外的风力转化为更高的前进动量，这种多体双体船现在基本上可以在被称为匕首板的薄水翼上在水面上飞行。以前在IACC的赛艇上需要数小时才能完成的比赛，现在可以在30分钟或更短的时间内完成。以前的工程挑战是最大限度地减少波浪对船体的阻力，现在设计的结构可以处理翼帆产生的巨大力，并确保水手在这样的速度下可以控制艇。具体来说，该团队需要一种能够承受肋部、翼梁和襟翼大变形的机翼。为了便于大批观众观看，新球场设置得更靠近海岸，需要更多的航行操作，这进一步改变了设计。

为了实现船舶性能与可控性和机动性之间的平衡，阿联酋航空新西兰团队将其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”，它能够实时模拟正在研究的机翼和船体设计的每种变化的不同航行条件。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排名对不同工况下船帆构型进行了分析，确定了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，该模拟器可以找到力和力矩的平衡，并预测速度。

这款模拟器一开始更像是在键盘上玩的电子游戏，不过它的基础是物理学。随着时间的推移，人机界面包括多个屏幕，虚拟现实耳机，以及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。让水手们实时从模拟器获得反馈，成为回答他们问题的有效方式，并制定出要问的问题。这些反馈给了团队信心，让他们在开始工作之前，就对给定设计的性能有了信心。然后，他们可以根据模拟器的预测来衡量自己的水上表现。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虚拟航行的经验有助于提供对抗竞争集团所需的优势。新西兰酋长队在2013年旧金山杯决赛中险胜，2017年在百慕大取得压倒性胜利。

胜利者保留箔纸

在翼帆和多船体主导了10年之后，2021年杯赛的设计规则于2018年初发布。规则规定了一种单体船与软帆，但与倾斜的t翼水翼两侧。每支队伍被限制为两艘75英尺(23米)的全尺寸船，但也可以建造39英尺(12米)长的测试艇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，所以完全依靠模拟来比较不同的箔片、船体和帆的性能。

对于箔片设计，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铝箔形状，以适应各种不同的速度条件。例如，细长的箔可能在更高的速度下工作得更好，但需要添加镇流器以符合质量规则。箔有液压和电子控制系统，为襟翼提供动力，类似于飞机襟翼，以调节垂直水动力。阿联酋航空新西兰队使用Ansys CFX和Ansys Mechanical来模拟万博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。

除了箔片设计之外，阿联酋航空新西兰队还全面分析了这艘船的几乎每一个结构部件。在2017年的活动中，设计师主要使用机械技术对CFX翼帆进行耦合流固相互作用(FSI)分析。在2021年的活动中，各个部件都使用机械建模，ACP中也有船体和甲板的全球复合模型。这些组件必须根据钻机载荷、撞击载荷和流体动力学载荷满足不同的强度或刚度要求，同时还要在重量和性能之间保持平衡。

随着软帆的回归和全尺寸测试的有限时间，帆的形状分析也是最受关注的问题。由于帆可以通过无限种方式进行修剪，设计师们已经使用CFX对不同形状的帆进行了超过10万次的模拟。对船体的空气动力学分析比以往任何时候都更重要，因为船体将花费大量的时间来装饰，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。

向防守方向机动

Ansys软件的自动化模拟过程使设计师能够在一周内完成以前需要六个月的工作。万博万博Ansys仿真软件使新西兰团队能够更快地创新。例如，一个简单的结构模型经常被用来验证一个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。任何想法都不是坏主意，因为模拟能够让团队探索许多不同的概念，并以相对较低的成本测试它们。

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”)和团队的12米测试船(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，传感器数据提供了有关压缩应变的信息，水手们可以在测试装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。通过对现场监测和许多设计变化的模拟进行比较，球队得到了理解，并最终获得了信心，能够再次突破卫冕杯赛所需的界限。

阿联酋航空新西兰团队由Ansys渠道合作伙伴LEAP Australia和Ansys万博复合材料设计专家提供支持。