技術(shù)降低競爭成本方法使用軟件

圣地亞哥，CA--今年的比賽中為美洲杯是最技術(shù)驅(qū)動事件的144年的歷史，并為一個很重要的原因：技術(shù)降低競爭成本。幾乎沒有像美國選手比爾科赫那樣有足夠的口袋，他在1992年為衛(wèi)冕冠軍時花費了6800萬美元建造了四艘船。今年，所有衛(wèi)冕犯罪集團--PACT 95，丹尼斯康納隊和美國3- 預(yù)算為2000萬美元或者減。每個人可能只建造兩個新的國際美洲杯級別(IACC)游艇。這些限制給設(shè)計團隊施加壓力，要求在船建造之前找到最佳設(shè)計。

加拿大設(shè)計與制造部門專注于對您而言至關(guān)重要的最新軟件和產(chǎn)品。深入探索生成設(shè)計，電子元件，3D打印，快速原型設(shè)計和機器學(xué)習(xí)等令人興奮的創(chuàng)新。學(xué)到更多!軟件允許設(shè)計人員在構(gòu)建和測試模型之前經(jīng)歷數(shù)百次設(shè)計迭代，從不介意投入實際船只。丹尼斯康納說：“我們的設(shè)計師必須考慮數(shù)千個變量，從船體形狀和風(fēng)帆大小到天氣條件。每次小調(diào)整都可以在船的比賽時間內(nèi)增加或減少10秒。”

“在計算機模擬中可以完成的一切都可以節(jié)省金錢和時間，”PACT 95總裁約翰馬歇爾說。“當(dāng)然，它也具有很大的風(fēng)險，因為距離大自然和全面的距離越遠，涉及的概率越多，程序員所承擔(dān)的智力風(fēng)險就越大。這就是整個過程令人興奮的事情：平衡風(fēng)險和回報。 “船設(shè)計師必須在國際美洲杯級別的限制下工作。他們必須遵循有關(guān)尺寸，材料和方法的指導(dǎo)原則，并通過平衡長度，帆面積和重量的公式來生活。在設(shè)計考慮因素中：

帆區(qū)：區(qū)域越大，船越快。

船體：更長更快。形狀或水線長度也會影響速度。

龍骨：當(dāng)逆風(fēng)航行時，升力是理想的，阻力不是。為了優(yōu)化直線加速逆風(fēng)，設(shè)計師尋找具有最高升阻比的龍骨形狀。設(shè)計師可能會優(yōu)化升力以實現(xiàn)快速加速，但是會犧牲直道的阻力。

燈泡：燈泡可能含有15噸或更多的鉛，可以提供船的平衡。燈泡上的小翼可以提供額外的升力以便于操縱。

位移：較重的船更穩(wěn)定，但更慢，因為它在水中更深處，增加了船體的水動力阻力。

可能最關(guān)鍵的設(shè)計部件是1.5至2英寸厚的船體。IACC船體具有碳纖維內(nèi)外皮和低溫固化環(huán)氧樹脂。在表皮之間是Nomex芳綸或鋁的蜂窩芯。為了抑制成本，設(shè)計師使用的碳纖維與先進的飛機材料相比有所下降。

在船體內(nèi)。Altair Computing公司(密歇根州特洛伊)的OptiStruct軟件幫助PACT 95設(shè)計了Young America碳纖維船體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。OptiStruct-一種機械設(shè)計合成程序 - 從結(jié)構(gòu)的最大允許包絡(luò)和預(yù)期承載的載荷開始。通過一系列連續(xù)迭代，程序計算應(yīng)放置材料以承載負載的位置以及可以消除哪些材料以減輕重量。

PACT 95使用該程序設(shè)計龍骨和桅桿附件艙壁。它設(shè)計了一個迷宮般的管子來取代傳統(tǒng)的艙壁和板材。這種技術(shù)可以讓設(shè)計師減輕這些船體加固結(jié)構(gòu)的重量，從而可以為船的龍骨增加更多的重量。這樣的設(shè)計會在給定的風(fēng)中稍微減少一點，使船更快。

設(shè)計師使用Altair的Genesis--一種傳統(tǒng)的形狀和尺寸優(yōu)化工具和FEA求解器 - 來改進設(shè)計并開發(fā)結(jié)構(gòu)龍骨區(qū)域。使用Ansys進行了額外的分析。

美國3隊建立在它所使用的技術(shù)基礎(chǔ)上并研究了1992年贏得美洲杯的方式。1992年的大部分設(shè)計團隊再次投入到1995年的努力中，從他們中斷的位置開始。他們使用來自美國墨西哥州西南港的Aerohydro公司的MultiSurf軟件來設(shè)計三維表面，如船體，龍骨，機翼和鉛燈泡。

Autodesk的AutoCAD讓團隊制作甲板布局和船線的二維繪圖。設(shè)計師還使用了Autodesk的AutoSurf 3-D曲面包。AutoSurf可以執(zhí)行IACC公式所需的體積，面積和質(zhì)量計算。該軟件還與機械車間和數(shù)控機床連接，以創(chuàng)建船模型。

“Autodesk產(chǎn)品對設(shè)計美不可或缺的3只船，”卡羅爾弗農(nóng)，為美國的海軍建筑師說3。“AutoCAD節(jié)省了時間和金錢，并為設(shè)計團隊提供了優(yōu)勢。”設(shè)計人員還使用AutoCAD幾何解決力問題，繪制數(shù)據(jù)，并為計算機化的膠合板切割機創(chuàng)建輸入數(shù)據(jù)。

洛克希德太空系統(tǒng)公司幫助Dennis Conner團隊創(chuàng)造了Stars&Stripes的結(jié)構(gòu)設(shè)計。凱迪拉克讓通用汽車的研發(fā)中心進行有限元分析，以優(yōu)化船體的外皮。通用汽車在Cray超級計算機上運行專有軟件。Dennis Conner團隊還使用了Structural Research and Analysis Corp.的Cosmos / M FEA軟件。

“我們分析了如何將碳和Kevlar(TM)纖維分層定位，這決定了船體的性能，”通用汽車研發(fā)中心高級管理人員和凱迪拉克與該團隊技術(shù)聯(lián)絡(luò)人David Howarth說。船體的不同部分具有不同數(shù)量的層。目標(biāo)：使船體盡可能堅硬和輕盈。

帶上水。兩個獨立的波音團隊為丹尼斯康納和PACT 95團隊進行了CFD-計算流體動力學(xué)分析。差價合約預(yù)測了船上的水流以及由此產(chǎn)生的壓力和部件將感受到的力。

工程師使用波音CFD軟件，用NASA開發(fā)的用于飛機設(shè)計的軟件和內(nèi)部幾何程序。波音公司高級首席工程師Ed Tinoco表示，游艇設(shè)計和波音公司的利益有很多共同之處：“這些船只已經(jīng)變得如此復(fù)雜，以至于1%的性能可能是輸贏的區(qū)別。在商業(yè)領(lǐng)域，1飛機上的燃油流量百分比是每年數(shù)十萬美元。從這個意義上說，無論是飛機還是帆船，我們都在玩同樣的游戲。

福特與波音和Cray Research合作為PACT 95的Young America做差價合約。在進行軟件分析之后，福特進行了風(fēng)洞和拖船測試以驗證其軟件。福特將CFD用于每個新設(shè)計的外部汽車表面，以使空氣動力學(xué)汽車獲得更好的燃油經(jīng)濟性并降低風(fēng)噪聲。福特還使用該技術(shù)分析發(fā)動機艙氣流，以獲得更好的冷卻和更小的阻力。他們通過將發(fā)動機艙拖過拖車水箱來驗證這些結(jié)果 - 令人驚訝的足夠。

PACT 95在沒有首先構(gòu)建原型的情況下建立了Young America。使用“模塊化改進”，設(shè)計師專注于計算機輔助設(shè)計，在Cray的超級計算機上分析數(shù)千種設(shè)計配置。這種方法是一種有效且經(jīng)濟有效的方法，無需構(gòu)建昂貴的比例模型即可評估許多設(shè)計。PACT 95僅選擇最有前景的模型測試設(shè)計。

他們將所有最佳模擬和測試組件合并為一個設(shè)計。結(jié)果：“最終的船體設(shè)計沒有經(jīng)過坦克測試 - 我們?yōu)榇烁械阶院溃?rdquo;科學(xué)應(yīng)用國際公司(SAIC)的海軍建筑師John Kuhn說。他的公司在管理整體設(shè)計計劃方面發(fā)揮了主導(dǎo)作用。

在過去的幾年里，Dennis Conner團隊使用了一個價值200,000美元的定制計算機系統(tǒng)來幫助做出關(guān)鍵的設(shè)計決策。在1995年的比賽中，設(shè)計師尋求更靈活，成本更低的解決方案，讓他們編寫自己的定制應(yīng)用程序，同時仍然提供游艇設(shè)計所需的強大分析功能。他們的選擇：微軟的Excel 5.0版電子表格。

每個設(shè)計變化都在Excel中與基準(zhǔn)船“比賽”，以確定在各種條件下哪個更快。Excel還生成“目標(biāo)”或理想的船舶性能，以最大限度地提高航行速度。當(dāng)船撞到水面時，該團隊通過船上復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)收集有關(guān)天氣，速度和性能的實時信息。機組人員可以修改賽車技術(shù)，以達到Excel提出的目標(biāo)目標(biāo)。

仍然是絕密。保密是關(guān)鍵。這些船被塑料“裙子”所籠罩，以隱藏龍骨，燈泡，翼梢小翼和車身底部部件，這些部件受到較少的設(shè)計規(guī)則的限制，可以為船只提供明確的優(yōu)勢。在可互換的部件上繼續(xù)進行設(shè)計工作，例如龍骨，鰭，燈泡，方向舵和桅桿。一旦比賽落到兩名后衛(wèi)和兩名挑戰(zhàn)者身上，裙子就會脫落。

比賽勝利后，保密是沒有實際意義的。North Sails和Boeing將能夠談?wù)撍麄優(yōu)椴煌男恋霞庸ぷ魉鶎W(xué)到的知識。新技術(shù)將帶到空中和高速公路以及海洋。

游戲規(guī)則

1992年，美洲杯規(guī)則改為要求所有船只都是國際美洲杯級別(IACC)游艇 - 不再是雙體船。這些75英尺長的船只比12米長的船更輕，更長，總帆面積增加70%。

定義類的規(guī)則在公式中平衡設(shè)計長度，帆面積和重量中的生成速度參數(shù)。更改一個變量需要設(shè)計人員修改其中一個或兩個變量，以確保公式產(chǎn)生的值小于24.例如，如果設(shè)計師增加長度，則必須增加重量或減少帆面積。如果它們承受重量，它們可以增加長度或帆面積。

底線：確定設(shè)計包絡(luò)的哪個角落最快。

新材料捕捉風(fēng)的力量

逆風(fēng)帆的帆技術(shù) - 主帆和天然氣 - 正在迅速發(fā)展。Dennis Conner和PACT 95團隊在美洲杯比賽中首次使用3DL模塑帆，而America3使用了一種名為F3的帆布，這是為1992年的冠軍而開發(fā)的。輕巧而堅固，兩種類型的帆使用碳纖維和Mylar(TM)薄膜。

3DL技術(shù)由康涅狄格州米爾福德的North Sails開發(fā)，可以連續(xù)生產(chǎn)帆。傳統(tǒng)的帆由縫在一起的面板組成。

北模在計算機控制的模具上航行，首先放下一塊Mylar，它被修剪成比實際的帆更大一點。然后一臺帶有吊艙的計算機控制的龍門架向下，并在薄膜上小心地張緊涂有粘合劑的Kevlar螺紋。史密斯說，對于美洲杯隊來說，North首先放下Kevlar線，然后是碳纖維。

在應(yīng)用光纖后，系統(tǒng)將另一片聚酯薄膜置于其上。然后，高強度加熱燈在保持在模具上的帆上移動，以使其熱固化。

在此比賽之前，3DL帆只使用了Kevlar纖維。馬歇爾指出：“如果碳排放失敗，凱夫拉爾就像一個安全網(wǎng)，將帆保持在一起。”

Dennis Conner和PACT 95團隊各有自己的帆船設(shè)計團隊。這些團隊中的許多設(shè)計師都是北方人員，他們宣誓保密。史密斯說：“杯賽結(jié)束后，北方人聚在一起分享他們的秘密，這對北方產(chǎn)生了極大的好處。”

3DL的一個優(yōu)點是，它的強度比傳統(tǒng)風(fēng)帆輕。使用3DL風(fēng)帆船可以更有效地覆蓋風(fēng)力范圍，因為它們更輕，并且假設(shè)它們的設(shè)計形狀在風(fēng)力較小的情況下比面板風(fēng)帆更好。

America3的帆布稱為Cubinfiber--商品名為F3。它由F3Technologies制造，而Sobstad Sailmakers則生產(chǎn)帆。使用的材料是Mylar薄膜，碳纖維和Allied Chemicals的Spectra纖維。

像3DL一樣，F(xiàn)3面料不是編織的。它在垂直，水平和離線方向上鋪設(shè)了多層Spectra。在頂部，碳纖維在水平和離線方向上運行。接下來，帆船將織物層壓在每側(cè)薄薄的Mylar薄膜上。1992年，他們對面料進行了高壓滅菌 - 這是一種更昂貴的工藝。54英寸寬的材料在激光切割機上切割，工人像傳統(tǒng)的面板帆一樣組裝帆。

Cubinfiber的優(yōu)點包括重量輕和重量/強度比好。“在1992年，一些球隊曾與帆破了碳纖維的問題，但我們治愈織物的方式使得它非常耐用，指出：”每安德森，為美國帆發(fā)展部主任3。

兩種帆船技術(shù)都可用于其他帆船，公司希望在比賽結(jié)束后提高產(chǎn)量。

電子產(chǎn)品保持?jǐn)?shù)據(jù)流動

這三艘衛(wèi)冕集團的船只和陸基化合物都是電子產(chǎn)品。使用的產(chǎn)品包括傳感器，激光測距儀，GPS接收器，計算機，傳真調(diào)制解調(diào)器，蜂窩電話，無線電和許多其他通信設(shè)備。

Dennis Conner和PACT 95團隊使用來自康涅狄格州米爾福德的Ockam Instruments的傳感器。(美國3使用定制儀器。)這些裝置包括船速，表觀和真實風(fēng)速，風(fēng)向，視風(fēng)角，航向，相對大頭釘，目標(biāo)速度，時間，航點軸承，航點范圍，對手方位和范圍。

PACT 95還使用Ockam數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。船用傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送到車載Ockam計算機，該計算機與福特的車載遙測系統(tǒng)連接。該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸袠?biāo)船進行分析和戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃，VIP觀察船和PACT 95 Mission Control進行存儲，分析和顯示。

Mission Control是PACT 95總部外的一個帳篷，向公眾開放。它顯示了實時的機載攝像機鏡頭以及通過遙測實時顯示賽車進度。基于福特的賽車遙測，該設(shè)置包括一個60英寸的視頻屏幕和另外四個顯示目標(biāo)速度，船速，風(fēng)向和船頭的圖形屏幕。

增量改進。“各種儀器和傳感器基本上與1992年相同，但它們都在不斷改進，”年輕的美國航海家羅伯特霍普金斯和四次美洲杯比賽的老將觀察。

PACT 95從Ockam的傳感器包開始，然后添加了其他高科技產(chǎn)品，例如Trimble的差分GPS(全球定位系統(tǒng))接收器，可以將船的位置固定在一米之內(nèi)。該團隊通過觀察GPS表示船駛過的軌道來研究船的機動性。結(jié)果可以幫助龍骨或方向舵設(shè)計。

Litton Industries借助陀螺儀和加速度計為PACT 95提供價值200,000美元的慣性導(dǎo)航裝置。航空公司已經(jīng)使用這項技術(shù)已有20年，但這項應(yīng)用標(biāo)志著它在美洲杯比賽中的首次使用。該裝置在所有六個自由度中檢測船的運動并記錄數(shù)據(jù)。設(shè)計師使用這些信息來分析船在海中的運動。將現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)與計算機預(yù)測和來自粗水拖車模型測試的其他數(shù)據(jù)進行比較，驗證了他們的軟件，并有助于改進船體和附屬物設(shè)計。

Young America的一項新技術(shù)是來自Laser Atlanta的手槍形激光測距儀?？偛课挥谧糁蝸喼輥喬靥m大的公司真正的工作是為警察部門制作激光速度陷阱。取景器與來自羅德島州米德爾敦的KVH Industries的數(shù)字羅盤相連。在競爭船上指向和射擊它給Young America的船員提供了其他船的確切范圍和方位。

船啊!摩托羅拉是美國3的贊助商并為該團隊提供了廣域通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)在Point Loma上包括一個新的900MHz，5通道無線電中繼系統(tǒng)。它讓船員和海洋賽馬船上的賽事官員使用低瓦數(shù)的雙向無線電與陸地航行大院的人們進行交流。從本質(zhì)上講，中繼站從船上獲取低功率無線電信號并放大它們，以便在大院接收到響亮而清晰的信號。沒有系統(tǒng)，

此外，America3使用安全通道向其基站發(fā)送口頭和其他通信數(shù)據(jù)。無線電可以幫助機組人員進行天氣預(yù)報，導(dǎo)航，車載電子設(shè)備和計算機以及有關(guān)航行條件變化的通信。它還讓船員與招標(biāo)和追逐船只交談。

年輕的美國船員租用了摩托羅拉雙向無線電臺，互相交談。海洋VHS無線電使他們能夠與其他船只交談。手機還用于將信息傳真給招標(biāo)船。Dennis Conner團隊使用了相同的技術(shù)。

Young America的Hopkins說：“在訓(xùn)練期間，我們不斷溝通。但是有一條規(guī)則：從比賽開始前五分鐘到比賽結(jié)束，就不能與外界溝通。所以我們拋出所有的對講機然后將手機放入一個防水的塑料容器中并將其扔到船外。我們從那里開始自己動手。“