美洲杯不仅是历史上最早的帆船赛事，在创新方面同样首屈一指。了解 American Magic 工程师如何与 ESTECO 合作，为他们的下一次挑战做准备。他们在设计过程的不同阶段使用 modeFRONTIER，集成几何修改、执行水动力 CFD 仿真并探索多种优化策略。
主要成果
1：从探索阶段到后处理与决策，全面管理设计与优化
2：灵活定制策略：从试验设计（DOE）到灵敏度分析及多策略算法
3：流程自动化、智能算法与先进后处理能力，使工程师能够更快交付优化方案
全新设计挑战：飞行的单体船
美洲杯是帆船运动历史最悠久、最重要的奖杯。其独特之处在于卫冕冠军有权决定下一届比赛的规则，包括日期和地点。更重要的是，它定义了船艇级别和设计规则。
2010 年的第 33 届美洲杯引入了新技术、设计理念和材料，将船艇设计推向了新的边界。当 BMW Oracle 将其 34 米三体船和 55 米高刚性翼帆在第一场比赛中对阵 Alinghi 时，它以 15 分钟的优势获胜，在 8 节的风速下以超过 18 节的速度航行。第 36 届美洲杯基于前一届级别规则的变更，采用了全新的船艇概念：一种不牺牲飞行船概念的单体竞赛船。两个 T 形侧水翼确保船能够飞离水面。工程师无法依赖以往经验，现在必须设计一种全新的船艇。此外，竞赛规则允许团队仅设计船艇的某些部分，如水翼翼翼、帆、船体和系统，而其他部分必须由第三方设计。虽然水翼翼翼的结构和翼型可由团队设计，但臂架结构由供应商公司确定、设计和建造。
American Magic 在设计过程的每个阶段（从概念到水翼和帆的细化）都使用 ESTECO 技术。具体来说，他们使用 modeFRONTIER。其流程自动化、智能算法和先进后处理能力使工程师能够更快地交付优化方案。
水翼和主帆几何的复杂仿真研究
AC75 有两个 T 形侧水翼。臂架通过活动接头连接到船体，使船员能够根据航行模式将水翼移入或移出水面。臂架的另一端是水翼本身。水翼有一个主翼型剖面，并带有可动襟翼。内部必须保证足够的空间来容纳操作襟翼的系统。水翼设计具有挑战性，因为它涉及在多种配置和多种运行条件下对无数几何形状进行仿真——所有这些都决定了船的性能。水翼需要产生低阻力，但又要产生足够的力，使船能够在起航时升起并在比赛中飞行。需要复原力矩来平衡帆的横倾力矩。在较高速度下，空化会导致显著的性能损失。稳定性至关重要，尤其是在机动过程中。
在第一阶段，使用低保真度求解器计算水动力性能，该求解器考虑了不同的运行条件——即速度、航行模式和水中的位置。在第二阶段，使用 CFD 仿真设计和评估完整的三维几何形状。由于计算时间较长，高保真度仿真不能直接用于开发的第一阶段。帆的方案由主帆和前帆（或 code zero）组成，两者可互换。所有尺寸均受规则限制，因此工程师可以在特定限制内优化形状。主帆是一种双皮帆，其作用类似于翼型。通过调整桅杆旋转、扭角和帆杆位置，可以针对不同的风速和航行模式调整主帆的三维几何形状。对于水翼，调整空气动力以产生升力、保持动量并降低阻力。
精准实现水翼和帆的设计
American Magic 工程师使用多种仿真软件进行水翼和帆的设计，包括三个步骤：几何定义、力计算和船速估算。整个过程在 modeFRONTIER 中实现自动化。多个工作流程处理输入修改、不同工具的执行以及文件和数据交换。
由空客开发的 Mares 负责处理翼型和襟翼的几何生成，考虑不同的组合。通过 CFD 仿真获得水翼产生的水动力、升力、阻力和动量以及空化速度。设计师在初期使用基于一维势流的低保真度代码，在短时间内评估多种配置。American Magic 在最终细化和优化阶段使用基于 RANS 的工具执行高保真度三维仿真。Mares 和 CFD 工具都通过 Easydriver 节点与 modeFRONTIER 耦合。这使得他们能够使用输入输出文件耦合内部工具，并自定义执行脚本。通过约束条件保证几何一致性，过滤掉异常形状，满足内部布线、机构要求以及空化限制。
优化的主要目标是在特定升力值下最小化阻力。仅了解水翼形状的有效性是不够的。了解船的行为方式至关重要。内部速度预测程序（VPP）软件可估算船在不同风速和航行模式下的整体性能。该软件使用水翼和帆产生的力来找到船的整体平衡并预测船速。嵌套的 modeFRONTIER 工作流程处理不同的运行条件。这些条件顺序运行，使用内部循环计算设计的整体性能。多个操作并行处理，以充分利用计算资源。一旦力被求解，它们被传递给 VPP 计算。水翼和帆的设计共享大部分流程和仿真工具，但定义几何形状更为复杂。主帆被分成多个截面，每个截面可以根据输入值具有不同的形状。除此之外，还需要计算每种形状的最佳调整。这导致大量配置被运行以找到最佳设计。基于可操纵性制定约束条件至关重要，要考虑船员可行的调整——如果在比赛期间过于复杂而无法执行，最优解就没有意义。
每个设计阶段都需要不同的优化策略。在早期阶段，遗传算法保证了在大型设计域中找到全局最优解的鲁棒性。在最后阶段，缩短优化时间至关重要——传统技术不可行。因此，多策略算法与先进的初始化技术结合使用，以加速整个优化过程。
American Magic 与 ESTECO — 创新伙伴
American Magic 设计团队在船艇的设计和优化中依赖 ESTECO 技术。性能预测工程师 Paolo Motta 表示：“AC75 是一艘复杂的竞赛船，子系统相互影响。这使得设计过程充满挑战且耗时。使用 modeFRONTIER 的流程自动化、智能算法和决策能力，我们将水翼优化时间从 3 周缩短至 4 天。这给了我们时间讨论和思考当前的挑战，并开发新的解决方案。” 性能预测工程师 Arthur Rozand 表示：“使用 modeFRONTIER 的主要好处是可以在一个地方拥有一套工具。通过这种方式，可以轻松管理从探索阶段到后处理与决策的设计和优化。时间在开发中是一种约束。使用 modeFRONTIER，我们可以灵活地定制策略。例如，在开发的早期阶段，DOE 策略和灵敏度分析工具有助于我们了解哪些设计变量最重要。在开发的最后阶段，我们使用多策略算法和高级图表来选择最佳设计。” “我们与 ESTECO 的合作正在带来巨大的成果。” 速度预测程序（VPP）负责人 Giorgio Provinciali 说：“与 ESTECO 工程师并肩工作，使我们能够汇集各自的专业知识，充分利用 modeFRONTIER。”
American Magic
American Magic 由 Bella Mente Racing、Quantum Racing 和纽约游艇俱乐部于 2017 年 10 月联合成立，代表了赢得美洲杯的共同愿景——美洲杯是帆船运动的最高奖项，也是国际体育史上最古老的奖杯。American Magic 汇集了两个非常成功的赛船项目与世界顶级游艇俱乐部之一，联合开展一场赢回奖杯的运动，重新连接美国帆船基础与这项运动的首要赛事，并提升美国竞技帆船的水平。American Magic 这个名字是对纽约游艇俱乐部传奇美洲杯历史的致敬；它结合了奖杯命名的船名和第一艘捍卫该奖杯的船名。
