利用 modeFRONTIER 优化 AC75 帆船部件的空气-水动力学 CFD 仿真
Luna Rossa Prada Pirelli 已准备好挑战第 37 届美洲杯路易威登杯。再次采用 AC75 水翼单体船，并第三次代表西西里帆船俱乐部（Circolo della Vela Sicilia）出征。借助 ESTECO 的仿真流程自动化和设计优化技术，该团队在其位于意大利撒丁岛南海岸卡利亚里基地内部建造和开发的帆船中，测试了多种解决方案和材料。
主要成果
加速仿真驱动设计流程
探索整个设计空间，发现非常规外形
快速有效地实现水翼和舵的二维截面设计与优化
1. AC75 级别规则：技术挑战
AC75 级别也被选为第 37 届美洲杯的比赛级别。它是一种高性能单体船，旨在通过创新技术引领帆船运动的发展，确保该级别与帆船运动的相关性，并在轻风和强风条件下提供竞技性比赛。级别规则定义了设计空间的边界。某些部件，如水翼臂和水翼倾转系统，各团队相同。AC37 协议还侧重于降低成本，包括限制部件数量：
每个团队仅允许建造一艘新的 AC75
限制可为 AC75 制造的水翼和部件数量
引入多用途的统一设计 AC40 级别，团队可部分转换并用于测试、部件开发和对抗赛训练
允许使用总长不超过 12 米的测试船（LEQ12）
此外，禁止进行拖曳水池或风洞试验。因此，数值仿真成为 Luna Rossa Prada Pirelli 团队设计过程中至关重要且不可或缺的一部分。他们在将想法应用于帆船之前，就对其进行分析和优化。
2. Luna Rossa Prada Pirelli 团队的设计部门
这个由 38 名成员组成的部门是最大的设计团队，分为五个单元：海军建筑、结构工程、机械工程、计算机工程以及空气与流体动力学工程。其中，有一组设计师使用 modeFRONTIER 来改进 AC75 帆船部件的设计性能：
Matteo Ledri，CFD 负责人
Simone Bartesaghi，CFD 专家
Martin Jacoby，CFD 专家
Andrea Vergombello，VPP 负责人
Andrea Zugna，性能与机电一体化
除了设计船体、帆和定制部件外，该团队还分析来自模拟器和海上训练期间连接至船的计算机的数据。通过与帆船团队和岸上团队的协同合作，他们每天致力于研究和设计解决方案，以提升帆船性能。
3. AC75 级别帆船设计：飞行类比
对于从未见过水翼船的人，可以通过将其与飞机类比来解释。这些相似性有助于理解为什么用于设计和测试水翼船的仿真技术可以借鉴航空航天领域数十年的发展成果。如果将 AC75 船比作滑翔机，则可以将机身比作船体，机翼比作主水翼，翼尖小翼比作翼梢，升降舵比作舵。AC75 的主要区别在于，仅靠一个水翼将船体抬出水面，因此横倾平衡通过考虑水翼的升力、船体重量以及帆力的横倾分量来实现，后者不断调整以保持船体直立。
继续飞行类比，关于控制：船的俯仰由舵叶的倾斜角控制，这改变了舵升降舵的攻角。通过控制水翼的襟翼角来保持离水间隙。
4. 优化技术实现更高效的帆船部件设计
在美洲杯赛事中，最宝贵的资源是时间，尽管有三到四年的时间来设计帆船。这就是为什么在选择仿真工具时，设计团队更倾向于依赖经过验证且可靠的商业解决方案。modeFRONTIER 就是其中之一。该软件提供灵活性、易用性和直接的方法进行设计探索与优化，使得在短时间内完成各种自动化任务成为可能。优化驱动的设计流程从定义目标函数和约束开始，随后进行设计参数化、运行优化算法，并验证优化后的解决方案。
第 36 届美洲杯 AC75 版本 1 模型
4.1 船体形状优化
对于船体形状，首先进行了与 AC75 规则相关的原始几何参数的初步研究，试图覆盖整个设计空间，甚至包括使用试验设计（DOE）表的输入参数生成的非常规形状。
通过 CFD 水动力学仿真测试了初步几何优化（规则层面）产生的优秀候选方案，然后将获得的数据集成到 modeFRONTIER 中，以正确分析趋势并比较不同解决方案。采用相同的方法，结合 DOE 探索和直接优化，设计空间在初步设计循环中提取的最优区域中得到细化，并在设计的每一步进行更新。
modeFRONTIER 设计表：最小化加权阻力结果
4.2 水翼截面的优化
通过使用遗传算法建立多目标优化，modeFRONTIER 被广泛用于完善水翼截面的设计。直接优化使我们能够探索数百万种可能的形状，并筛选出一系列最佳候选方案，在虚拟的 AC75 完整模型上进行测试和深入比较。主要目标是在给定升力下最小化阻力，同时满足结构属性（应力和刚度）、空化、系统等约束。此外，该过程还涉及基于 B 样条曲线的参数化和参数化模型，以考虑控制系统容积和一些三维效应。
用于水翼截面优化的 modeFRONTIER 工作流程
4.3 水翼的设计空间探索
使用 modeFRONTIER 在两个主要领域对水翼的设计空间进行了详尽探索：球鼻和扭角分布。
由于需要满足大量约束和目标，这项优化任务非常复杂。关于球鼻优化：需要一定的容积来承载所需重量，需要空间容纳襟翼系统，以及在所有条件下尽可能减小阻力的形状——这些是球鼻优化的约束和目标。几何生成使用 Rhino/Grasshopper 完成，并在 modeFRONTIER 中自动化以执行 DOE。然后，将几何发送到 HPC 集群运行 CFD 分析。在此背景下，modeFRONTIER 使我们的团队能够高效执行此任务，并缩短生成优化几何的时间。扭角优化的目的是找到水翼剖面沿翼展方向的最佳攻角分布。
扭角分布影响水翼性能和行为的多个方面。可以想到结构部分：展向升力中心将影响翼根的应力，因此需要更高的模量，这可能导致更厚的剖面。寻求性能是主要目标，旨在使二维剖面在效率最大化的攻角范围内工作，而从三维水动力学角度看，由升力产生的涡流会导致性能损失。通过最优的扭角分布可以最大限度地减少这种损失，同时始终监控空化区域随扭角变化的情况。
用于球鼻优化的 modeFRONTIER 工作流程
在这种复杂场景下，modeFRONTIER 的拟合能力使我们能够以很高的置信度找到虚拟最优解。扭角优化问题存在与层流-湍流转捩相关的高度非线性，通过正确的设置，我们能够使用响应面模型（RSM）技术进行优化，并以出色的结果验证最优解。
4.4 用于波浪模型拟合的 RSM 建模：水动力与空气动力
许多挑战需要 CFD 计算，这些计算非常消耗计算资源，但通过对问题进行正确研究，可以对 CFD 响应进行良好拟合，从而减少需要运行的仿真数量。RSM 设置的选择至关重要，不仅要用验证点进行检验，还要符合工程师的判断标准。随后，拟合结果可用于“锚定”低保真度模型，从而扩展研究的情景。锚定意味着研究并拟合高保真度与低保真度模型之间的预期差异，一旦已知，就可用于校正设计空间中未进行特定高保真度仿真区域内的低保真度模型。此处的研究案例是 AC75 的波浪阻力模型，其中 URANS 在“中心”航行条件下进行。通过创建解析波浪模型，可以将结果扩展到波浪情景中可能出现的非常多的条件，例如波高、波周期、角度、飞行高度。
modeFRONTIER 用于提高低保真度模型的质量，使我们能够研究更广阔的空间。
5. ESTECO 技术对 Luna Rossa CFD 专家的价值
modeFRONTIER 已成为开发新型 AC75 级别帆船不可或缺的工具，为设计团队提供了必要的优化技术，使其在船体和水翼设计等各个领域表现出色。
Luna Rossa Prada Pirelli 的 CFD 专家 Simone Bartesaghi 表示：“modeFRONTIER 帮助我们改进和加速了设计流程，使我们能够探索整个设计空间，并发现我们可能不会考虑到的、非常规的、跳出框框的形状。基于 modeFRONTIER 的结果，我们可以快速有效地获得水翼和舵的二维截面设计与优化，甚至将它们适配到水翼或舵展向上的不同区域。最后，该软件使我们能够为复杂场景（如波浪相互作用和空气动力）创建模型，用于直接优化。”
Luna Rossa Prada Pirelli
Luna Rossa 团队成立于 1997 年，当时阿根廷帆船设计师 German Frers 向企业家 Patrizio Bertelli 提议挑战将于 2000 年在新西兰举行的第 30 届美洲杯。从那时起，该团队参加了五届美洲杯，两次赢得挑战者选拔赛——2000 年的路易威登杯和 2021 年的 PRADA 杯——并在 2007 年和 2013 年进入决赛。在第 36 届由 PRADA 呈现的美洲杯决赛中，对阵卫冕冠军阿联酋新西兰队，Luna Rossa Prada Pirelli 取得了意大利挑战者在美洲杯历史上的最佳成绩。Luna Rossa 将再次代表西西里帆船俱乐部，挑战将于 2024 年 9 月和 10 月在西班牙巴塞罗那举行的第 37 届美洲杯。
