技術(shù)降低競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)事件的144年的歷史，并為一個(gè)很重要的原因：技術(shù)降低競(jìng)爭(zhēng)成本。幾乎沒有像美國(guó)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(shí)花費(fèi)了6800萬美元建造了四艘船。今年，所有衛(wèi)冕犯罪集團(tuán)--PACT 95，丹尼斯康納隊(duì)和美國(guó)3- 預(yù)算為2000萬美元或者減。每個(gè)人可能只建造兩個(gè)新的國(guó)際美洲杯級(jí)別(IACC)游艇。這些限制給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)施加壓力，要求在船建造之前找到最佳設(shè)計(jì)。

加拿大設(shè)計(jì)與制造部門專注于對(duì)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(jì)，電子元件，3D打印，快速原型設(shè)計(jì)和機(jī)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(jì)人員在構(gòu)建和測(cè)試模型之前經(jīng)歷數(shù)百次設(shè)計(jì)迭代，從不介意投入實(shí)際船只。丹尼斯康納說：“我們的設(shè)計(jì)師必須考慮數(shù)千個(gè)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(shí)間內(nèi)增加或減少10秒。”

“在計(jì)算機(jī)模擬中可以完成的一切都可以節(jié)省金錢和時(shí)間，”PACT 95總裁約翰馬歇爾說。“當(dāng)然，它也具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榫嚯x大自然和全面的距離越遠(yuǎn)，涉及的概率越多，程序員所承擔(dān)的智力風(fēng)險(xiǎn)就越大。這就是整個(gè)過程令人興奮的事情：平衡風(fēng)險(xiǎn)和回報(bào)。 “船設(shè)計(jì)師必須在國(guó)際美洲杯級(jí)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(zhǎng)度，帆面積和重量的公式來生活。在設(shè)計(jì)考慮因素中：

帆區(qū)：區(qū)域越大，船越快。

船體：更長(zhǎng)更快。形狀或水線長(zhǎng)度也會(huì)影響速度。

龍骨：當(dāng)逆風(fēng)航行時(shí)，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(jì)師尋找具有最高升阻比的龍骨形狀。設(shè)計(jì)師可能會(huì)優(yōu)化升力以實(shí)現(xiàn)快速加速，但是會(huì)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?yàn)樗谒懈钐?，增加了船體的水動(dòng)力阻力。

可能最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)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(jì)師使用的碳纖維與先進(jìn)的飛機(jī)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(jì)了Young America碳纖維船體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。OptiStruct-一種機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)算應(yīng)放置材料以承載負(fù)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(jì)龍骨和桅桿附件艙壁。它設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jì)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(jì)會(huì)在給定的風(fēng)中稍微減少一點(diǎn)，使船更快。

設(shè)計(jì)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(jìn)設(shè)計(jì)并開發(fā)結(jié)構(gòu)龍骨區(qū)域。使用Ansys進(jìn)行了額外的分析。

美國(guó)3隊(duì)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(jì)團(tuán)隊(duì)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(guó)墨西哥州西南港的Aerohydro公司的MultiSurf軟件來設(shè)計(jì)三維表面，如船體，龍骨，機(jī)翼和鉛燈泡。

Autodesk的AutoCAD讓團(tuán)隊(duì)制作甲板布局和船線的二維繪圖。設(shè)計(jì)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(jì)算。該軟件還與機(jī)械車間和數(shù)控機(jī)床連接，以創(chuàng)建船模型。

“Autodesk產(chǎn)品對(duì)設(shè)計(jì)美不可或缺的3只船，”卡羅爾弗農(nóng)，為美國(guó)的海軍建筑師說3。“AutoCAD節(jié)省了時(shí)間和金錢，并為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了優(yōu)勢(shì)。”設(shè)計(jì)人員還使用AutoCAD幾何解決力問題，繪制數(shù)據(jù)，并為計(jì)算機(jī)化的膠合板切割機(jī)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了Stars&Stripes的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。凱迪拉克讓通用汽車的研發(fā)中心進(jìn)行有限元分析，以優(yōu)化船體的外皮。通用汽車在Cray超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行專有軟件。Dennis Conner團(tuán)隊(duì)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(jí)管理人員和凱迪拉克與該團(tuán)隊(duì)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(jiān)硬和輕盈。

帶上水。兩個(gè)獨(dú)立的波音團(tuán)隊(duì)為丹尼斯康納和PACT 95團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了CFD-計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析。差價(jià)合約預(yù)測(cè)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(jī)設(shè)計(jì)的軟件和內(nèi)部幾何程序。波音公司高級(jí)首席工程師Ed Tinoco表示，游艇設(shè)計(jì)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(jī)上的燃油流量百分比是每年數(shù)十萬美元。從這個(gè)意義上說，無論是飛機(jī)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(jià)合約。在進(jìn)行軟件分析之后，福特進(jìn)行了風(fēng)洞和拖船測(cè)試以驗(yàn)證其軟件。福特將CFD用于每個(gè)新設(shè)計(jì)的外部汽車表面，以使空氣動(dòng)力學(xué)汽車獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性并降低風(fēng)噪聲。福特還使用該技術(shù)分析發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)艙拖過拖車水箱來驗(yàn)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(jìn)”，設(shè)計(jì)師專注于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，在Cray的超級(jí)計(jì)算機(jī)上分析數(shù)千種設(shè)計(jì)配置。這種方法是一種有效且經(jīng)濟(jì)有效的方法，無需構(gòu)建昂貴的比例模型即可評(píng)估許多設(shè)計(jì)。PACT 95僅選擇最有前景的模型測(cè)試設(shè)計(jì)。

他們將所有最佳模擬和測(cè)試組件合并為一個(gè)設(shè)計(jì)。結(jié)果：“最終的船體設(shè)計(jì)沒有經(jīng)過坦克測(cè)試 - 我們?yōu)榇烁械阶院溃?rdquo;科學(xué)應(yīng)用國(guó)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(jì)計(jì)劃方面發(fā)揮了主導(dǎo)作用。

在過去的幾年里，Dennis Conner團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)價(jià)值200,000美元的定制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來幫助做出關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策。在1995年的比賽中，設(shè)計(jì)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(shí)仍然提供游艇設(shè)計(jì)所需的強(qiáng)大分析功能。他們的選擇：微軟的Excel 5.0版電子表格。

每個(gè)設(shè)計(jì)變化都在Excel中與基準(zhǔn)船“比賽”，以確定在各種條件下哪個(gè)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(shí)，該團(tuán)隊(duì)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(shí)時(shí)信息。機(jī)組人員可以修改賽車技術(shù)，以達(dá)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(jì)規(guī)則的限制，可以為船只提供明確的優(yōu)勢(shì)。在可互換的部件上繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(huì)脫落。

比賽勝利后，保密是沒有實(shí)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(shí)。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(guó)際美洲杯級(jí)別(IACC)游艇 - 不再是雙體船。這些75英尺長(zhǎng)的船只比12米長(zhǎng)的船更輕，更長(zhǎng)，總帆面積增加70%。

定義類的規(guī)則在公式中平衡設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，帆面積和重量中的生成速度參數(shù)。更改一個(gè)變量需要設(shè)計(jì)人員修改其中一個(gè)或兩個(gè)變量，以確保公式產(chǎn)生的值小于24.例如，如果設(shè)計(jì)師增加長(zhǎng)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(zhǎng)度或帆面積。

底線：確定設(shè)計(jì)包絡(luò)的哪個(gè)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(tuán)隊(duì)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(jiān)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(jì)算機(jī)控制的模具上航行，首先放下一塊Mylar，它被修剪成比實(shí)際的帆更大一點(diǎn)。然后一臺(tái)帶有吊艙的計(jì)算機(jī)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(duì)于美洲杯隊(duì)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(qiáng)度加熱燈在保持在模具上的帆上移動(dòng)，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(gè)安全網(wǎng)，將帆保持在一起。”

Dennis Conner和PACT 95團(tuán)隊(duì)各有自己的帆船設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。這些團(tuán)隊(duì)中的許多設(shè)計(jì)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(duì)北方產(chǎn)生了極大的好處。”

3DL的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它的強(qiáng)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?yàn)樗鼈兏p，并且假設(shè)它們的設(shè)計(jì)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(yùn)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(duì)面料進(jìn)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(jī)上切割，工人像傳統(tǒng)的面板帆一樣組裝帆。

Cubinfiber的優(yōu)點(diǎn)包括重量輕和重量/強(qiáng)度比好。“在1992年，一些球隊(duì)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(guó)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(dòng)

這三艘衛(wèi)冕集團(tuán)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(cè)距儀，GPS接收器，計(jì)算機(jī)，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(tuán)隊(duì)使用來自康涅狄格州米爾福德的Ockam Instruments的傳感器。(美國(guó)3使用定制儀器。)這些裝置包括船速，表觀和真實(shí)風(fēng)速，風(fēng)向，視風(fēng)角，航向，相對(duì)大頭釘，目標(biāo)速度，時(shí)間，航點(diǎn)軸承，航點(diǎn)范圍，對(duì)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(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)與福特的車載遙測(cè)系統(tǒng)連接。該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸袠?biāo)船進(jìn)行分析和戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃，VIP觀察船和PACT 95 Mission Control進(jìn)行存儲(chǔ)，分析和顯示。

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

增量改進(jìn)。“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(jìn)，”年輕的美國(guó)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(tuán)隊(duì)通過觀察GPS表示船駛過的軌道來研究船的機(jī)動(dòng)性。結(jié)果可以幫助龍骨或方向舵設(shè)計(jì)。

Litton Industries借助陀螺儀和加速度計(jì)為PACT 95提供價(jià)值200,000美元的慣性導(dǎo)航裝置。航空公司已經(jīng)使用這項(xiàng)技術(shù)已有20年，但這項(xiàng)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(gè)自由度中檢測(cè)船的運(yùn)動(dòng)并記錄數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)師使用這些信息來分析船在海中的運(yùn)動(dòng)。將現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)和來自粗水拖車模型測(cè)試的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了他們的軟件，并有助于改進(jìn)船體和附屬物設(shè)計(jì)。

Young America的一項(xiàng)新技術(shù)是來自Laser Atlanta的手槍形激光測(cè)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(jìng)爭(zhēng)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(guó)3的贊助商并為該團(tuán)隊(duì)提供了廣域通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)在Point Loma上包括一個(gè)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(jìn)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(hào)并放大它們，以便在大院接收到響亮而清晰的信號(hào)。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(jī)組人員進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)，導(dǎo)航，車載電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)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(guó)船員租用了摩托羅拉雙向無線電臺(tái)，互相交談。海洋VHS無線電使他們能夠與其他船只交談。手機(jī)還用于將信息傳真給招標(biāo)船。Dennis Conner團(tuán)隊(duì)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(duì)講機(jī)然后將手機(jī)放入一個(gè)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(dòng)手。“