/ Цель проекта
«Кубок Америки» — одно из самых зрелищных и сложных в подготовке соревнований парусных яхт. История игр начинается с 1851 года, когда английская королева организовала регату среди представителей британского парусного флота и нескольких зарубежных гостей. С тех пор «Кубок Америки» стал не просто состязанием моряков, он стан гонкой технологий.
В элитных видах спорта, таких как Формула-1 и яхтинг, команды должны довести свое оборудование до самого высокого уровня, чтобы оставаться конкурентоспособными. Они перенимают лучшие технологии из всех сфер и продвигают их, чтобы получить преимущество в соревнованиях. Компьютерное моделирование применяется в этих видах спорта, потому что оно позволяет инженерам виртуально протестировать различные варианты конструкций и получить наилучшие результаты до того, как оборудование будет построено.
В случае с яхтами, преобразование энергии ветра в поступательный импульс мало чем отличается от приведения в действие ветряной турбины для выработки энергии. Оба этих примера требуют захвата ветра для преобразования его в энергию, если захватывается (и контролируется) больше ветра, то и достигаемый результат будет лучше. То же самое относится и к работе любой турбины (приводимой в движение газом, ветром, паром или водой) для выработки электроэнергии или для приведения в движение самолета. Точно так же, как и в случае с автомобилем Формулы-1, яхтой или самолетом, аэродинамика и вес конструкции влияют на то, сколько энергии будет потребляться.
/ Реализация проекта
Благодаря новейшим технологиям Ansys, команда Emirates из Новой Зеландии (ETNZ) в течение 5 месяцев создала «подводные крылья», которые поднимают яхту на несколько метров над водой и увеличивают скорость судна. За это время инженеры провели сотни виртуальных испытаний, благодаря которым нашли лучшие характеристики взаимодействия материалов и внешних условий.
Подводные крылья представляют собой двухэлементные аэродинамические поверхности, состоящие из основного элемента и блока закрылков. Части крыльев (основной элемент и закрылки) состоят из легких ребер и лонжерона, покрытых термопластичной пленкой. Блок закрылок включают в себя три секции, расположенных снизу вверх вдоль основного элемента крыла. Гидравлические приводы, отвечающие за управление, подключены к специальным устройствам в верхней и нижней части каждой из закрылок.
Быстрое управление закрылками позволяет более точно и эффективно управлять судном, именно они играют важную роль в распределении подъемной силы. Экстремальный поворот может приводить к большим деформациям. Например, одна из закрылок закручивается на целых 20 градусов по всей длине. Из-за таких больших деформаций и тепла, используемого для натяжения термопластичной пленки на поверхности крыла, оптимизация конструкции требует нелинейного структурного анализа.
Для определения аэродинамического давления Emirates применяли в своей работе программное решение Ansys CFD. Было проведено моделирование различных форм закрылок, угол их поворота в широком диапазоне скоростей ветра и прочих условий, воздействующих на лодку. Все полученные результаты собирались в одну базу, которая в дальнейшем была использована в симуляции для поиска наилучших характеристик лодки в зависимости от внешних условий и характеристик крыла. Благодаря Ansys весь процесс моделирования и расчета параметров удалось автоматизировать, что значительно сэкономило время на подготовку.
Далее применяя Ansys Workbench, инженеры разработали конечную структурную модель закрылок, состоящую из множества элементов. Так как по задумке закрылки должны были быть изготовлены из композитных материалов, цифровая модель была разработана и оптимизирована в Ansys Composite PrepPost. Чтобы настроить моделирование, данные, собранные из анализов в Ansys CFD, были импортированы и применены к структурной модели. Поскольку моделирование в CFD выполняется для крыла, подверженному деформациям, необходимо было преобразовать данные о давлении для недеформированного крыла с помощью специальных сценариев. Затем значения давления были сопоставлены со структурной моделью в Ansys Mechanical.
Постепенно инженеры усложняли свои модели. Так, первый этап представлял собой простую модель одного закрылка, используемого для проектирования всей конструкции. Второй этап уже состоял из комбинированной модели всех трех закрылков, которая используется для проектирования всего блока. На третьем этапе данные о давлении, определенные с помощью анализа в CFD, применялись на модель, разработанную на втором этапе. Этот анализ помог определить нагрузку, которая приходится на места соединения закрылков.
Команда провела сотни итераций для того, чтобы оптимизировать геометрию и структуру покрытия, а также для достижения целевых форм и минимизации влияний внешних условий при заданной нагрузке. Одновременно с этим была проделана работа по уменьшению веса самой конструкции, гарантируя, что она выдержит нагрузки, ожидаемые во время гонки.
/ Результаты проекта
Описанные ранее разработки были применены на 13-ти метровой испытательной яхте, спущенной на воду летом 2016 года. Одновременно с этим инженеры создавали более полную модель, которая включала в себя взаимодействие крыла и самой яхты. Специалисты использовали эту модель для детального проектирования крыла вместе с двунаправленным FSI анализом, который помог исследовать динамическую реакцию крыла на порывы ветра или на моменты, когда лодка совершает опасные маневры, такие как резкие повороты и галсы.
Программное обеспечение Ansys, включающее в себя инструменты для моделирования жидкостей, сложных конструкций и композитных материалов, помогло инженерам Emirates добиться поставленной цели. В 2017 году команда Emirates выиграла гонку «Кубок Америки». Это было по-настоящему захватывающее состязание. Состязание в скорости и новейших технологий.
