技术降低竞争成本方法使用软件

圣地亚哥，CA--今年的比赛中为美洲杯是最技术驱动事件的144年的历史，并为一个很重要的原因：技术降低竞争成本。几乎没有像美国选手比尔科赫那样有足够的口袋，他在1992年为卫冕冠军时花费了6800万美元建造了四艘船。今年，所有卫冕犯罪集团--PACT 95，丹尼斯康纳队和美国3- 预算为2000万美元或者减。每个人可能只建造两个新的国际美洲杯级别(IACC)游艇。这些限制给设计团队施加压力，要求在船建造之前找到最佳设计。

加拿大设计与制造部门专注于对您而言至关重要的最新软件和产品。深入探索生成设计，电子元件，3D打印，快速原型设计和机器学习等令人兴奋的创新。学到更多!软件允许设计人员在构建和测试模型之前经历数百次设计迭代，从不介意投入实际船只。丹尼斯康纳说：“我们的设计师必须考虑数千个变量，从船体形状和风帆大小到天气条件。每次小调整都可以在船的比赛时间内增加或减少10秒。”

“在计算机模拟中可以完成的一切都可以节省金钱和时间，”PACT 95总裁约翰马歇尔说。“当然，它也具有很大的风险，因为距离大自然和全面的距离越远，涉及的概率越多，程序员所承担的智力风险就越大。这就是整个过程令人兴奋的事情：平衡风险和回报。 “船设计师必须在国际美洲杯级别的限制下工作。他们必须遵循有关尺寸，材料和方法的指导原则，并通过平衡长度，帆面积和重量的公式来生活。在设计考虑因素中：

帆区：区域越大，船越快。

船体：更长更快。形状或水线长度也会影响速度。

龙骨：当逆风航行时，升力是理想的，阻力不是。为了优化直线加速逆风，设计师寻找具有最高升阻比的龙骨形状。设计师可能会优化升力以实现快速加速，但是会牺牲直道的阻力。

灯泡：灯泡可能含有15吨或更多的铅，可以提供船的平衡。灯泡上的小翼可以提供额外的升力以便于操纵。

位移：较重的船更稳定，但更慢，因为它在水中更深处，增加了船体的水动力阻力。

可能最关键的设计部件是1.5至2英寸厚的船体。IACC船体具有碳纤维内外皮和低温固化环氧树脂。在表皮之间是Nomex芳纶或铝的蜂窝芯。为了抑制成本，设计师使用的碳纤维与先进的飞机材料相比有所下降。

在船体内。Altair Computing公司(密歇根州特洛伊)的OptiStruct软件帮助PACT 95设计了Young America碳纤维船体的内部结构。OptiStruct-一种机械设计合成程序 - 从结构的最大允许包络和预期承载的载荷开始。通过一系列连续迭代，程序计算应放置材料以承载负载的位置以及可以消除哪些材料以减轻重量。

PACT 95使用该程序设计龙骨和桅杆附件舱壁。它设计了一个迷宫般的管子来取代传统的舱壁和板材。这种技术可以让设计师减轻这些船体加固结构的重量，从而可以为船的龙骨增加更多的重量。这样的设计会在给定的风中稍微减少一点，使船更快。

设计师使用Altair的Genesis--一种传统的形状和尺寸优化工具和FEA求解器 - 来改进设计并开发结构龙骨区域。使用Ansys进行了额外的分析。

美国3队建立在它所使用的技术基础上并研究了1992年赢得美洲杯的方式。1992年的大部分设计团队再次投入到1995年的努力中，从他们中断的位置开始。他们使用来自美国墨西哥州西南港的Aerohydro公司的MultiSurf软件来设计三维表面，如船体，龙骨，机翼和铅灯泡。

Autodesk的AutoCAD让团队制作甲板布局和船线的二维绘图。设计师还使用了Autodesk的AutoSurf 3-D曲面包。AutoSurf可以执行IACC公式所需的体积，面积和质量计算。该软件还与机械车间和数控机床连接，以创建船模型。

“Autodesk产品对设计美不可或缺的3只船，”卡罗尔弗农，为美国的海军建筑师说3。“AutoCAD节省了时间和金钱，并为设计团队提供了优势。”设计人员还使用AutoCAD几何解决力问题，绘制数据，并为计算机化的胶合板切割机创建输入数据。

洛克希德太空系统公司帮助Dennis Conner团队创造了Stars&Stripes的结构设计。凯迪拉克让通用汽车的研发中心进行有限元分析，以优化船体的外皮。通用汽车在Cray超级计算机上运行专有软件。Dennis Conner团队还使用了Structural Research and Analysis Corp.的Cosmos / M FEA软件。

“我们分析了如何将碳和Kevlar(TM)纤维分层定位，这决定了船体的性能，”通用汽车研发中心高级管理人员和凯迪拉克与该团队技术联络人David Howarth说。船体的不同部分具有不同数量的层。目标：使船体尽可能坚硬和轻盈。

带上水。两个独立的波音团队为丹尼斯康纳和PACT 95团队进行了CFD-计算流体动力学分析。差价合约预测了船上的水流以及由此产生的压力和部件将感受到的力。

工程师使用波音CFD软件，用NASA开发的用于飞机设计的软件和内部几何程序。波音公司高级首席工程师Ed Tinoco表示，游艇设计和波音公司的利益有很多共同之处：“这些船只已经变得如此复杂，以至于1%的性能可能是输赢的区别。在商业领域，1飞机上的燃油流量百分比是每年数十万美元。从这个意义上说，无论是飞机还是帆船，我们都在玩同样的游戏。

福特与波音和Cray Research合作为PACT 95的Young America做差价合约。在进行软件分析之后，福特进行了风洞和拖船测试以验证其软件。福特将CFD用于每个新设计的外部汽车表面，以使空气动力学汽车获得更好的燃油经济性并降低风噪声。福特还使用该技术分析发动机舱气流，以获得更好的冷却和更小的阻力。他们通过将发动机舱拖过拖车水箱来验证这些结果 - 令人惊讶的足够。

PACT 95在没有首先构建原型的情况下建立了Young America。使用“模块化改进”，设计师专注于计算机辅助设计，在Cray的超级计算机上分析数千种设计配置。这种方法是一种有效且经济有效的方法，无需构建昂贵的比例模型即可评估许多设计。PACT 95仅选择最有前景的模型测试设计。

他们将所有最佳模拟和测试组件合并为一个设计。结果：“最终的船体设计没有经过坦克测试 - 我们为此感到自豪，”科学应用国际公司(SAIC)的海军建筑师John Kuhn说。他的公司在管理整体设计计划方面发挥了主导作用。

在过去的几年里，Dennis Conner团队使用了一个价值200,000美元的定制计算机系统来帮助做出关键的设计决策。在1995年的比赛中，设计师寻求更灵活，成本更低的解决方案，让他们编写自己的定制应用程序，同时仍然提供游艇设计所需的强大分析功能。他们的选择：微软的Excel 5.0版电子表格。

每个设计变化都在Excel中与基准船“比赛”，以确定在各种条件下哪个更快。Excel还生成“目标”或理想的船舶性能，以最大限度地提高航行速度。当船撞到水面时，该团队通过船上复杂的传感器系统收集有关天气，速度和性能的实时信息。机组人员可以修改赛车技术，以达到Excel提出的目标目标。

仍然是绝密。保密是关键。这些船被塑料“裙子”所笼罩，以隐藏龙骨，灯泡，翼梢小翼和车身底部部件，这些部件受到较少的设计规则的限制，可以为船只提供明确的优势。在可互换的部件上继续进行设计工作，例如龙骨，鳍，灯泡，方向舵和桅杆。一旦比赛落到两名后卫和两名挑战者身上，裙子就会脱落。

比赛胜利后，保密是没有实际意义的。North Sails和Boeing将能够谈论他们为不同的辛迪加工作所学到的知识。新技术将带到空中和高速公路以及海洋。

游戏规则

1992年，美洲杯规则改为要求所有船只都是国际美洲杯级别(IACC)游艇 - 不再是双体船。这些75英尺长的船只比12米长的船更轻，更长，总帆面积增加70%。

定义类的规则在公式中平衡设计长度，帆面积和重量中的生成速度参数。更改一个变量需要设计人员修改其中一个或两个变量，以确保公式产生的值小于24.例如，如果设计师增加长度，则必须增加重量或减少帆面积。如果它们承受重量，它们可以增加长度或帆面积。

底线：确定设计包络的哪个角落最快。

新材料捕捉风的力量

逆风帆的帆技术 - 主帆和天然气 - 正在迅速发展。Dennis Conner和PACT 95团队在美洲杯比赛中首次使用3DL模塑帆，而America3使用了一种名为F3的帆布，这是为1992年的冠军而开发的。轻巧而坚固，两种类型的帆使用碳纤维和Mylar(TM)薄膜。

3DL技术由康涅狄格州米尔福德的North Sails开发，可以连续生产帆。传统的帆由缝在一起的面板组成。

北模在计算机控制的模具上航行，首先放下一块Mylar，它被修剪成比实际的帆更大一点。然后一台带有吊舱的计算机控制的龙门架向下，并在薄膜上小心地张紧涂有粘合剂的Kevlar螺纹。史密斯说，对于美洲杯队来说，North首先放下Kevlar线，然后是碳纤维。

在应用光纤后，系统将另一片聚酯薄膜置于其上。然后，高强度加热灯在保持在模具上的帆上移动，以使其热固化。

在此比赛之前，3DL帆只使用了Kevlar纤维。马歇尔指出：“如果碳排放失败，凯夫拉尔就像一个安全网，将帆保持在一起。”

Dennis Conner和PACT 95团队各有自己的帆船设计团队。这些团队中的许多设计师都是北方人员，他们宣誓保密。史密斯说：“杯赛结束后，北方人聚在一起分享他们的秘密，这对北方产生了极大的好处。”

3DL的一个优点是，它的强度比传统风帆轻。使用3DL风帆船可以更有效地覆盖风力范围，因为它们更轻，并且假设它们的设计形状在风力较小的情况下比面板风帆更好。

America3的帆布称为Cubinfiber--商品名为F3。它由F3Technologies制造，而Sobstad Sailmakers则生产帆。使用的材料是Mylar薄膜，碳纤维和Allied Chemicals的Spectra纤维。

像3DL一样，F3面料不是编织的。它在垂直，水平和离线方向上铺设了多层Spectra。在顶部，碳纤维在水平和离线方向上运行。接下来，帆船将织物层压在每侧薄薄的Mylar薄膜上。1992年，他们对面料进行了高压灭菌 - 这是一种更昂贵的工艺。54英寸宽的材料在激光切割机上切割，工人像传统的面板帆一样组装帆。

Cubinfiber的优点包括重量轻和重量/强度比好。“在1992年，一些球队曾与帆破了碳纤维的问题，但我们治愈织物的方式使得它非常耐用，指出：”每安德森，为美国帆发展部主任3。

两种帆船技术都可用于其他帆船，公司希望在比赛结束后提高产量。

电子产品保持数据流动

这三艘卫冕集团的船只和陆基化合物都是电子产品。使用的产品包括传感器，激光测距仪，GPS接收器，计算机，传真调制解调器，蜂窝电话，无线电和许多其他通信设备。

Dennis Conner和PACT 95团队使用来自康涅狄格州米尔福德的Ockam Instruments的传感器。(美国3使用定制仪器。)这些装置包括船速，表观和真实风速，风向，视风角，航向，相对大头钉，目标速度，时间，航点轴承，航点范围，对手方位和范围。

PACT 95还使用Ockam数据收集系统。船用传感器将数据发送到车载Ockam计算机，该计算机与福特的车载遥测系统连接。该系统将数据传输到招标船进行分析和战术规划，VIP观察船和PACT 95 Mission Control进行存储，分析和显示。

Mission Control是PACT 95总部外的一个帐篷，向公众开放。它显示了实时的机载摄像机镜头以及通过遥测实时显示赛车进度。基于福特的赛车遥测，该设置包括一个60英寸的视频屏幕和另外四个显示目标速度，船速，风向和船头的图形屏幕。

增量改进。“各种仪器和传感器基本上与1992年相同，但它们都在不断改进，”年轻的美国航海家罗伯特霍普金斯和四次美洲杯比赛的老将观察。

PACT 95从Ockam的传感器包开始，然后添加了其他高科技产品，例如Trimble的差分GPS(全球定位系统)接收器，可以将船的位置固定在一米之内。该团队通过观察GPS表示船驶过的轨道来研究船的机动性。结果可以帮助龙骨或方向舵设计。

Litton Industries借助陀螺仪和加速度计为PACT 95提供价值200,000美元的惯性导航装置。航空公司已经使用这项技术已有20年，但这项应用标志着它在美洲杯比赛中的首次使用。该装置在所有六个自由度中检测船的运动并记录数据。设计师使用这些信息来分析船在海中的运动。将现实世界数据与计算机预测和来自粗水拖车模型测试的其他数据进行比较，验证了他们的软件，并有助于改进船体和附属物设计。

Young America的一项新技术是来自Laser Atlanta的手枪形激光测距仪。总部位于佐治亚州亚特兰大的公司真正的工作是为警察部门制作激光速度陷阱。取景器与来自罗德岛州米德尔敦的KVH Industries的数字罗盘相连。在竞争船上指向和射击它给Young America的船员提供了其他船的确切范围和方位。

船啊!摩托罗拉是美国3的赞助商并为该团队提供了广域通信系统。该系统在Point Loma上包括一个新的900MHz，5通道无线电中继系统。它让船员和海洋赛马船上的赛事官员使用低瓦数的双向无线电与陆地航行大院的人们进行交流。从本质上讲，中继站从船上获取低功率无线电信号并放大它们，以便在大院接收到响亮而清晰的信号。没有系统，

此外，America3使用安全通道向其基站发送口头和其他通信数据。无线电可以帮助机组人员进行天气预报，导航，车载电子设备和计算机以及有关航行条件变化的通信。它还让船员与招标和追逐船只交谈。

年轻的美国船员租用了摩托罗拉双向无线电台，互相交谈。海洋VHS无线电使他们能够与其他船只交谈。手机还用于将信息传真给招标船。Dennis Conner团队使用了相同的技术。

Young America的Hopkins说：“在训练期间，我们不断沟通。但是有一条规则：从比赛开始前五分钟到比赛结束，就不能与外界沟通。所以我们抛出所有的对讲机然后将手机放入一个防水的塑料容器中并将其扔到船外。我们从那里开始自己动手。“