乘风破浪:新西兰酋长队采用ANSYS多物理场仿真技术对数千个备选方案进行评估并研发出最佳设计

乘风破浪:新西兰酋长队采用ANSYS多物理场仿真技术对数千个备选方案进行评估并研发出最佳设计


参与美洲杯比赛的帆船过去几年发生了巨大变化。凭借替代传统船帆的翼帆,目前船只速度比过去快四倍。针对下一届美洲杯帆船赛,新西兰酋长队力求通 过采用ANSYS多物理场仿真技术对数千个备选方案进行评估并研 发出最佳设计,从而在众多对手中脱颖而出。


综合ANSYS多物理场工具套件(流体、结构与复合材料仿真)可以帮助ETNZ扫清障碍。
美洲杯是帆船竞技运动中倍受粉丝追捧的重要赛事。该赛事从1851年起每隔数年举办一次,来自全球的船只与赛手齐聚一堂为丰厚的奖励而战。下次比赛定于2017年在百慕大群岛举办。激烈比赛给船员带来身心挑战;不过,除了环境与比赛本身,美洲杯赛船还需要在短时间里进行大量的工程工作。要对如此复杂的赛船的各项可能改进进行物理试验是一项难以想象的任务(更别说资金也难以维持),新西兰酋长队(ETNZ)转而采用ANSYS 多物理场工程仿真软件研发出一艘可靠、稳健而又极富竞争力的船只。

航空航天技术(包括高级空气动力学、轻质材料、 风洞测试与高级仿真技术)给美洲杯帆船赛带来变革。目前的杯赛级帆船采用了与传统船帆相比更接近飞机机 翼或翼型的翼帆。翼帆使双体船能够把风转变成前进动 力(而非如飞机等情况下的升力)。

1、翼帆设计
翼帆是一种由主体以及从其背后铰接的襟翼装置组成的双单元翼型。主体是构成翼帆前缘的刚性结构,属于主要结构翼梁。襟翼包含三段,其拱 起后可以通过改变主体与襟 翼之间的角度而提高升力。可通过扭转各个襟翼段来减少单个段的动力并改变空气动力学压力的中心位置。采用液动装置可以根据主要航行状况拱起和扭转襟翼段, 使其变成最高效的空气动力形状。

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1级仿真所用的单个襟翼段的简单模型

比赛规则会限定帆船设计的许多方面,诸如:船体形状、翼帆形状以及甲板布局等。因此,除了熟练船员的贡献,美洲杯的输赢在很大程度上取决于底层系统(包括翼帆结构)在各种航行状况下发挥最佳性能的能力。在于2013年举办的上届比赛惜败之后,恢复士气的新西兰酋长队工程师面临巨大的时间压力,需要在5个月时间内设计出新的测试用帆船系统,以便完成2017赛前的计划。借助ANSYS流固耦合(FSI)多物理场与 复合材料仿真技术,ETNZ能够虚拟化测试数百个方案,以便在进行物理试验之前提前找到最佳设计。采用真实船只进行测试既耗时又耗资,而且离开仿真还无法对所有设计折中方案进行物理测试。

2、翼帆结构
主体与襟翼的制造均采用轻质肋材和覆盖热塑薄膜 的翼梁。襟翼单元本身包含三段 – 自下而上为1号、2号 与3号翼。负责拉紧与放 松控制线的液动装置连接 到各段襟翼顶部与底部的 控制点。
快速而高效地控制 襟翼扭转是实现快速、准 确和精确控制航行的关 键。襟翼变形必须进行优 化,以便提供预期翼展升 力分布,同时达到重量目标。极端扭转会对襟翼产生巨大 应力。例如,2号翼能够沿其长度扭转多达20度。由于如 此巨大变形以及用于对翼面热塑薄膜进行预张力处理的热 边界条件,因此优化需要非线性 结构分析。
“目前的美洲杯级帆船 采用了与传统船帆相比更接近 飞机机翼或翼型的翼帆。”
3、预测空气动力学压力
为了采用ANSYS CFD 仿真软件测定空气动力学压力,ETNZ工程师首先从主体与襟翼的计算机辅助设计(CAD)模型入手。他们把CAD模型扭转到襟翼形状所容许的最大范围,然后创建用于流动分析的逆域模型。他们在各种风速、角度以及船只状态下模拟了各种形状的性能。相关结果填入性能仿真器所用的矩阵,以便根据风力条件、翼帆调整以及风向等情况预测船只性能。ANSYS DesignXplorer 可以尽可能减少准确呈现参数空间所需要的仿真次数。这种分析需要评估数量极其庞大的变量的影响。开放式ANSYS框架允许采用内部脚本全自动执行完整仿真过程。

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翼帆CAD模型

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3级仿真载荷步2:各个控制点循环扭转翼帆。

3、结构仿真
襟翼设计过程从CAD定义的初始几何模型方案开始。工程师采用ANSYS Workbench创建了结构有限元模型。襟翼由轻质复合材料制成,因此整个铺层是采用ANSYS Composite PrepPost进行设计与优化。为了建立单向FSI仿真,系统把来自众多CFD分析的压力数据导入并映射到相关结构。由于CFD仿真的执行是基于变形后的翼帆形状,因此必须采用ETNZ工程师编写的脚本把压力数据转换成未变形的翼帆形状,这样这些数据就可以用于结构模型。然后可以采用ANSYS Mechanical
把压力映射到结构。在ANSYS和渠道合作伙伴LEAP Australia的技术专家的协助下,此过程与模型得到顺利研发,ETNZ才得以满足紧迫的时限要求。ETNZ工程师逐步提高结构模型的复杂性。1级是用于结构设计的单个襟翼的简单模型。2级是主要用于设计连接几何模型的所有三个襟翼的组合模型。在3级中,CFD仿真确定的压力用于加载2级建立的模型。此项分析确定驱动襟翼所需负载,进而用于设计液动装置和控制系统。
为了优化几何模型和多层薄层结构,酋长队执行了数百次迭代,以期实现目标形状和最小化指定负载条件下的输入力矩。同时还想办法在确保能承受比赛期间负载的同时最小化结构重量。
4、船下水后设计未停
2016年夏天下水的一艘45英尺测试用船只采用了上述设计。与此同时,ETNZ工程师在创建一个更全面的模型,其包含主体及其与帆船的连接;此模型随后将扩展到帆船结构本体。工程师将此模型用于主体的详细设计,连同双向FSI分析结构对翼帆空气动力学的影响。双向FSI分析将会首次实现在受到阵风冲击、船帆调整过程中或者船只转向与抢风航行等操作情况下研究翼帆的动力响应。

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目前的设计速度大约比10年前美洲杯所用船只快4倍。这种提速的主要原因是杯赛团队目前采用双体船而非过去所用的单体船。在水翼上使船飞行(水面飞行)也显著提高了最高速度。从船帆转为翼帆实现进一步大幅提速。
在耗能尽可能少的同时把风力转化成速度并非易事。ETNZ采用百分之百仿真驱动研发过程测试数千个备选方案,以实现翼帆设计目标,包括在保持重量目标的同时实现准确和快速控制。包含流体、结构和复合材料仿真的综合ANSYS多物理场工具套件可以帮助ETNZ扫清障碍。最终目标是再创1995年和2000年的成功并且把奖杯带回新西兰。

新西兰酋长队受到ANSYS渠道合作伙伴LEAP澳大利亚公司以及ANSYS的复合材料设计专家的大力支持。