工程美国’S CUP:需要技术和团队赢得比赛

美国的杯子防守者和挑战者如何为任何优势提供设计,仿真,优化,3D打印,数据分析和高性能计算技术。

Land Rover Bar Team在Siemens NX中使用Python脚本进行仿真,设计和自动形状。图片由西门子PLM软件提供。


致电美国的杯子乘船比赛是一点错误。仔细检查竞争船只揭示了他们比船更多的飞机。在大多数情况下,它们使用翼状水翼的水覆盖水,留在很大程度上是空气传播的,以最小化阻力。

规则允许竞争团队开始在活动前150天在百慕大的AC50(美国杯)比赛船上。但是很久以前触摸了百慕大的巨大声音的天蓝色水域,这些船已经在位和像素的海洋中已经在粗风和像素的海洋中设置了数百次,从而在计算流体中的部分微分方程构成的粗糙的风中进行了测试动态(CFD)程序。

Land Rover Bar Team在Siemens NX中使用Python脚本进行仿真,设计和自动形状。图片由西门子PLM软件提供。 Land Rover Bar Team在Siemens NX中使用Python脚本进行仿真,设计和自动形状。图片由西门子PLM软件提供。

水翼的兴起

在路易威登的第35届美国杯,后卫队美国面临五个有价值的对手:阿尔忒弥斯赛车,包括奥运冠军;阿联酋新西兰队; Groupama队法国; Land Rover Bar由Sir Ben Ainslie领导(以前与Oracle Team);和Dean Barker领导的Softbank团队(以前与新西兰团队)领导。

该团队设计并建立了自己的美国杯班(ACC)船 - 长约15米(近50英尺)的长度,根据杯官方规格建造。船的共同特征是使用翼状水翼,最近在帆船世界的发展中。

“船只旨在在比赛课程周围发泡,”罗素Coutts,America的Ceo Ceo。 “今天的船比三年前的速度快,他们是较小的船只......我们曾经观看过一个半小时的比赛,我们现在看到一场比赛持续22分钟,基本相同操纵数量。“

“当我们构建原型船并测试它时,我们可以使用传感器来测量组件上的压力,纤维部件的变形等。”

- Rodrigo Azcueta,陆虎栏

“高速,拖累和海守成为任何船只的大问题,特别是海洋海洋......在水面上升[水平的帆船模式]不仅可以减少阻力,而且有助于减少结构风险并进行处理在速度上更容易,“在2015年7月的马雪山山山脉队的世界特色,”脱模现象:帆船队如何加快困难。“

涉及美国杯的设计团队将很好地花费了他们的时间,以弄清楚最好的箔形状,分析电梯和拖曳之间的权衡,并在测试期间研究原型船的性能。根据比赛规则,网站的水域中的测试仅适用于一个小的时间窗口。因此,团队依靠一系列数字设计和仿真工具,提前完善和完善船的性能。

照片由Ricardo Pinto通过Acea。 照片由Ricardo Pinto通过Acea。

寻求金色比例

首先于2000年成立,美国甲骨文队伍在2010年第三届美国杯(巴伦西亚,西班牙)在2010年第33届美国杯的瑞士队伍中摔倒了奖杯,并在2013年的第34届美国杯中再次出现了胜利(旧金山) )。在拖曳的两次胜利中,Oracle团队今年前往百慕大,捍卫其冠军。

“我们建立了水翼的固体元素模型。它们每个元素大约在500,000到100万之间。我们在同一时间看着大约五种不同的设计。“

- Aurelien Miller,Artemis Racing

“在大多数情况下,船上航行在其水翼上,基本上是翅膀的,”甲板设计团队团队的竞争专家克莱伊斯州克莱伊斯说,“Len Imas说。 “正常的帆船将其船体保持在水中,并由静水液驱动 - 基本上是Archimedes的原则。另一方面,美国杯子里的赛艇由他们的翼状箔片来支撑,产生升力。“

因为船用水翅片的飞机模仿飞机,所以它们也面临着飞机遇到的许多相同的空气动力学挑战。 “一旦你把水下翅膀放在船上,你必须担心你如何控制它,”Hal Youngren,来自团队Oracle的设计团队的空气动力学/流体动力学工程师。 “我们的舵 - 船只的重要特征 - 像尾巴一样在飞机上确实稳定船。”

如果你可以将船的舵作为飞机的尾巴思考,你可以将水翼盒视为它的翅膀。 “筏在这场比赛中很受欢迎,因为它们可以使用水翼上方飞到水上,”来自Artemis Racing的工程团队的Aurelien Miller说。 “当船在水上飞一米时,船和水之间的唯一接触点是那些水翼。薄膜与飞机翼相似。“

但在水中航行与飞过空气的翅膀也不一样。 “飞行稳定性是一个巨大的挑战,特别是在匕首板的发展中,”来自Granama France Gratanama France设计团队的Andrea Vergombello说。 “您可以在性能方面获得最佳板,但您需要尊重一些稳定标准,以便创建一个也容易处理的箔片。纯粹的性能和稳定之间的平衡需要很多工作和经验,特别是在水面上。“

游艇世界的结射指出:“虽然清晰地刺激似乎减少了波动拖曳,但没有免费午餐。抬起并牵手送走,曲面下面发生了什么,有时会擦掉上面的任何好处。例如,以大角度倾斜箔片可能会产生升力,但通常会有大量的拖拉。“

美国的杯船设计工程师和仿真分析师需要专注于空气和水。 “我们看看暴露于风水和水的船的区域,因此流体动力和空气动力学对我们同样重要,”陆路酒吧概念团队成员罗德里戈阿兹卡库塔说。 “随着船体周围的水和空气流动,它产生力量。我们尤其有兴趣在造成拖累的抵抗力,以及创造升力的力量。升力比率是我们试图优化的比例。“

沸点

所有AC50赛艇船都配备了水翅片,因此它们必须面对浮污染或“冷沸腾”,与液体的快速变化相关。空化以高速发生,并导致形成小蒸气腔或气泡。

Acufieldview,可视化达格贝板周围流动的acusolve计算流体动力学分析。图片由Altair提供。 Acufieldview,可视化达格贝板周围流动的acusolve计算流体动力学分析。图片由Altair提供。

“空化阻止船更快,”Azcueta解释道。 “当我们构建原型船并测试它时,我们可以使用传感器来测量部件上的压力,纤维部件中的变形等。我们还可以在组件上指向相机,所以我们可以观察空化,看看它是否出现。“

Emirates团队新西兰还利用传感器来收集数据并改善船舶设计。 “船周围都有传感器,看起来是不同的方面,无论是舵手的载荷,例如匕首,酋长队的酋长队Marty Yates表示,据惠普制作的视频团队的供应商。 “我们得到了每秒下来的数百个数据点,然后就是在船速,方向,菌株方面分析......我们必须弄清楚我们可以在他们之前推出多少休息,最大化性能和船速。“

“我们官方赛艇的航空和流体动力学组件是几个优化步骤的结果,包括性能,可靠性,结构标准和减重。”

- Andrea Vergombello,Grounama France

该团队使用HP Z840工作站作为专用SQL Server来处理设计和其他HP Z840的数字嘎吱声,移动HP工作站,用于ANSYS仿真分析。

即使测试帆船期有限,该团队也可以选择在其他地方建立规模模型和原型船,但该选项也受到所涉及的成本的限制。 “建筑船和测试它们是非常耗时的,”Land Rover Bar的Azcueta说。 “我们依靠数字仿真来缩短设计过程。”

“虽然你可以将一架飞机放在拖车坦克中的风洞或船上,你真的无法做到这一点,以了解一个双体船,因为它是风,水,流体动力学和空气动力学的复杂相互作用,”斯蒂芬弗格森解释说,西门子PLM软件的营销总监。 “美国杯中的许多团队使用CFD进行空气动力学和流体动力学调整。”

阿尔忒弥斯赛车使用OptiStruct在层压复合匕首上进行结构分析。图片由Altair提供。 Artemis Racing使用OptiStruct在层压复合匕首上进行结构分析。图片由Altair提供。

Ferguson以前由CD-Adapco,Star-CCM +仿真软件套件的制造商雇用。该软件以强大的CFD工具和功能而闻名。去年,西门子PLM软件获取了CD-Adapco,制作Star-CCM +部分SimCenter产品组合。

“我们在模拟中的主要挑战是空化和流体结构互动(FSI),”Azcueta说。 “所涉及的物理学非常复杂。”模拟的复杂性来自不仅需要一种类型的物理,而且需要多种类型。例如,模拟波浪对船舶结构的潜在损坏的影响,不仅涉及流体动力学而且结构力学。这种仿真呼叫对多体求解器或代码耦合,通过有限数量的模拟包启用。

自动形状,脚本网格

在比赛的那一天,速度是决定因素。但是在比赛前很久,当设计团队正在将他们的船只的3D数字模型进行CFD测试时,不同种类的速度提供了优势 - 工程师可以同时学习和评估数十几种设计的速度。

“我们看一下非常大量的设计,”Land Rover Bar的Azcueta说。 “我们生成关键部件的参数模型,如翼,匕首和箔。设计参数,如长度和厚度变化。然后我们生成数百种形状并运行数百个同时模拟。我们立即将它们发送到高性能计算(HPC)队列。在几天后,我们将在完成所有这些模拟时恢复结果。这是我们通常建立一个力量模型“以研究不同力量对船舶组件的影响。

Land Rover Bar使用Esteco的ModeFrontier软件来自动化箔设计过程。该团队使用西门子NX设计船的形状,并在设计上运行CFD仿真的Star-CCM +。

“我们为NX中添加了对Python脚本的支持,”西门子PLM高级营销总监Paul Brown说。 “所以在NX内,工程师可以搭配仿真,设计和自动形态。这为一个团队提供了像陆虎杆,能够快速浏览大量迭代,评估它们。“

“关于这个过程的重要事项是,它完全自动化,所以基本上工程师可以响应他们看到的CFD结果来改变设计参数,他们看到了另一组模拟,”添加了Ferguson。

阿尔忒弥斯赛车工程团队转向Altair Engineering,以其Optistruct求解器和HyperWorks计算机辅助工程(CAE)软件套件而闻名。 HyperMesh,部分HyperWorks捆绑包,以准确,高效的啮合,是有限元分析(FEA)中的关键预处理要求。

“我们必须能够弄清楚我们可以在他们打破之前推出多少,这最大限度地提高了性能和船速。”

- Marty Yates,Emirate团队新西兰

“如果我们只看过结构,我们可以在一台电脑上运行模拟,”Artemis Racing的米勒说。 “但是我们还耦合了流体计算的结构模拟。所以我们在我们的HPC服务器上运行了作业。通常我们使用大约20个核心计算,用于非线性计算300。“

Artemis团队正在用复合材料构建箔,提供某些结构优势。但该决定也对模拟软件进行了负担。 “如果是金属,我们可以施加四面体网格。但啮合的复合设计更难。米勒说,我们使用了六面射出的网状物,这需要更多的照顾和关注。“ “我们建立了水翼的固体元素模型。它们每个元素大约在500,000到100万之间。我们同时看着大约五种不同的设计。通过使用HyperMesh,我们将准备时间缩短了一半。“

在他们彼此比赛之前,每支球队都反对时间和物理学的限制。

“美国杯中的计算机技术是主要因素之一,特别是现在,在第35届美国的杯子,我们正在走向有史以来最高级的船只,”来自阿联酋新西兰的酋长队。

Emirates团队新西兰使用SolidWorks和AutoCAD进行设计,然后转向ANSYS Multiphysics工具,以模拟结构复合部件在不同情况下的结构与空气和水。 ANSYS DesignXplorer集成到ANSYS Workbench中,用于探索和优化设计。

“结构,控制和流体动力学之间存在巨大的权衡。”

- 哈里克,团队甲骨文

“我们的官方赛艇的航空和流体动力学组件是几个优化步骤的结果,包括性能可靠性结构标准和减重,”Groupama France的Vergombello表示。 Gransama使用DassaultSystèmes'专为海洋工业解决方案设计,以创造双体船的一般形状。专为海上设计的基于DassaultSystèmes的3Dexperience平台。它针对造船厂的海军建筑师,工程师和设计师。因此,它包括帮助确保遵守行业规定和分类标准的工具。

Gransama使用Rhino,一种表面建模程序和蚱蜢,一个插入犀牛,以设计船的箔。要管理优化过程,它使用Esteco的ModeFrontier软件。 “在第一期,ModeFrontier软件支持我们的2D段优化,两者都是匕首板和舵...我们使用它来找到优化2D箔横截面的最佳方法,从工作条件和约束开始。在广告系列的第二阶段,其他团队成员开始使用ModeFrontier来优化DaggeBoard的3D形状,“Vergombello说。

团队oracle有一个多级进程。 “我们使用CAD软件生成箔片和船体翅膀和船体的其他部分的形状,”团队oracle的IMAS说。 “然后我们使用广泛的仿真工具来逐步改善随后的迭代中的设计。”

甲骨文队美国的五个挑战者。照片由Ricardo Pinto通过Acea。 甲骨文队美国的五个挑战者。
照片由Ricardo Pinto通过Acea。

Oracle Team正在使用的工具之一是一个用于生成CFD网格模型的软件程序。 “尖锐的优势是它可以脚本,”Youngren说。 “它可以采取我们的CAD几何形状,将其切割在水面,重新筛选它,然后将其转储到我们的分析工具中。它基本上使用称为字形的脚本语言,该语言被构建为点。“

不同的假设,不同的赌注

使用时间测试的流体动力学和结构力学原理,仿真和优化软件程序根据用户的输入和约束提供答案。例如,模拟包装可以基于用户指定的力来计算水翼表面上的应力分布。类似地,优化程序可以根据用户指定的负载和重量限制来提出水涂层的最佳几何形状。因此,箔设计中的赌博可能最终归结为每个团队的假设,这些假设会对帆船条件转化为他们饲养到模拟软件的参数。

“事实证明,在百慕大,可能的帆船条件的范围比上一个美国杯[旧金山湾]的现场更大,”Youngren Notes。 “我们的大多数流体动力学设计努力被分成了为高速条件(更强大的风)设计,以及较低的速度条件(用于较浅的风和较慢的帆船)。你需要看看两者,因为很难在高速条件下使用轻空气船,反之亦然。“

IMAS表示,在设计和优化期间,许多问题发挥作用。 “你在为较重的风设计设计了更多的重量吗?您是否设计以打火机,中间风的最佳航行?或者您是否尝试使用相同的箔设计来占用?他说,这些假设和设计目标推动了一个特定的设计路径。“

编码风的功率和减肥

最佳类型的模拟是由现实世界经验和数据驱动的,从物理测试和过去的记录中获得。美国杯子的赛车队有一个狭窄的窗口,可以在比赛网站上测试他们的AC50船;因此,在这些测试运行期间收集数据对于后续设计改进更为关键。

Land Rover Bar转向雷尼绍,在Metrology Industry中获得公认的名称,生产定制磁编码器。根据Renishaw,编码器系统是“设计成液压,气动和机电致动器的集成为位置或速度的反馈元件......位置编码器安装在机翼(襟翼)和端口的控制表面上右舷舵。“

编码器有助于在船舶操作期间测量每个机翼部分中的弯曲度或曲率。 “在较轻的风中,你有更多的弧形;在较强的风中,你减少了弧形,因为你有效地有太多的力量,你试图泄漏一些东西,“Paul Campbell-James,Land Rover Bar的翼修剪器说。 “雷尼绍编码器告诉我不同​​级别之间的比率。我将使用它来确定最佳扭曲的轮廓,以使船最大速度。“

除了跨学科工程技术,每个美国杯队团队的每个人都必须共同努力。照片由Ricardo Pinto / Via Acea。 除了跨学科工程技术,每个美国杯队团队的每个人都必须共同努力。照片由Ricardo Pinto / Via Acea。

雷尼绍还使用添加剂制造(AM)制造了几个用于陆虎杆的液压部件,这有助于减轻重量。例如,新的AM歧管设计中的重量减少了60%,性能效率的增加优于20%。

胜利的编排

在比赛的那一天,赛车队面临着可以改变其命运的大未知数之一 - 天气。 “比赛前的一天晚上,我们看看天气预报。基于该预测,我们调整某些组件,赛车团队将调整其车辆的方式,“陆路揽胜的Az​​cueta说。 “翼和船是固定的,但我们有不同的箔可供选择,我们可以进行小调整。”

拥有最佳船或箔设计可能提供优势,但仅凭乘坐的优势无法承诺胜利。 “你还需要最好的舵手,翼修剪器和船员来控制和操纵这艘船,”团队甲骨文的Youngren说。 “其中一个AC50S之一更像是一部舞蹈的舞蹈 - 船上的每个人都必须非常恰当地移动。”

编排术还延伸到比赛前几个月或多年的设计工作。在物理原型之前的模拟和分析会话中,有不同背景的人必须走到一起。它非常不可能找到一个设计团队可以找到一个理解结构力学,空气动力学和流体动力学的专家。在大多数情况下,来自这些不同学科的专家必须共同努力,建立和改进船。

“我的背景是空气动力学和航空航天,”Youngren说。 “我的同事Len IMAS的背景是CFD。我们有一个相当小的流体动力学家,但我们与设计师密切合作,其实力在控制系统设计或结构工程中。结构,控制和流体动力学之间存在巨大的权衡。“

在测试期间和比赛期间,每个团队都会观察他人。他们注意到竞争对手的设计理念,以及水上显着的优点和缺点。然后,他们将这些见解融入了自己的船只设计,为下一个美国杯的思想发芽了。因此,随着每种种族,更好地,更快地制成了代域的筏。

有关更多信息,请访问

牵牛星 Engineering.

ansys.

Dassaultsystèmes.

Esteco.

蚱蜢

生命值

雷尼绍

犀牛

西门子PLM软件

对于美国的杯子背景,访问

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Groupama队法国

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肯尼斯黄是 数字工程’s 驻地博主和高级编辑。给他发电子邮件 [电子邮件 protected] 或分享您对本文的思考 digitaleng.news/facebook..

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