行業(yè)：船舶

    挑戰(zhàn)：為 Alex Thomson 的 “HUGO  BOSS” 號(hào) IMOCA 60 級(jí)帆 船量身設(shè)計(jì)一個(gè)滑動(dòng)內(nèi)飾頂 板。

    Altair 解決方案：Altair 產(chǎn)品設(shè)計(jì)咨詢團(tuán)隊(duì) (ProductDesign) 進(jìn)行兩階段 綜合優(yōu)化的虛擬開(kāi)發(fā)過(guò)程。

    優(yōu)點(diǎn)：滑動(dòng)內(nèi)飾頂板的設(shè)計(jì)在材料預(yù) 算和限定開(kāi)發(fā)時(shí)間內(nèi)完成。

    背景介紹 

    無(wú)論是專業(yè)級(jí)還是休閑型帆船產(chǎn)業(yè)在工程角度來(lái)說(shuō)都是一個(gè)有趣的領(lǐng)域。尤其 是在世界級(jí)最具挑戰(zhàn)的環(huán)境下使用的高性能帆船相對(duì)于休閑型帆船，更需要高水平 的工程設(shè)計(jì)。在60級(jí)帆船中，帆船通常都是“獨(dú)一無(wú)二”量身定制的產(chǎn)品。大多數(shù) 的組件都是為某艘特定的帆船單獨(dú)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的，而且不會(huì)批量生產(chǎn)，因此每一艘 帆船都可以看作是一個(gè)原型，通過(guò)工程師豐富的工程經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)帆船性能的最大化。

    為了成功生產(chǎn)和制造一艘帆船，并且達(dá)到AlexThomson這次單人環(huán)球航海賽 （VendéeGlobe）的要求，設(shè)計(jì)員和工程師必須保證首次設(shè)計(jì)的正確性，因?yàn)闆](méi)有過(guò)多的精力和時(shí)間用來(lái)修改。帆船必須在輕盈的同時(shí)保證足夠結(jié)實(shí)，而且速度要快，至少和競(jìng)賽中速度一樣，當(dāng)然越快越好。帆船的穩(wěn)定性要好、船身結(jié)實(shí)和安全性高，并且它的設(shè)計(jì)能夠有效地幫助帆船在水面穿行時(shí)進(jìn)行加速。

    為了達(dá)到這些嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)今帆船的建造幾乎都采用復(fù)合材料，以保證重量、強(qiáng)度和適用性這些優(yōu)勢(shì)。然而，了解如何最高效地利用這些材料需要復(fù)合材料領(lǐng)域內(nèi)豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以及相關(guān)行業(yè)，如賽車(chē)行業(yè)多年的磨練。

    為了充分利用復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，加快實(shí)現(xiàn)帆船設(shè)計(jì)過(guò)程的優(yōu)化，賽艇設(shè)計(jì)員使用虛擬開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化和測(cè)試，然后再生產(chǎn)。這種方法能夠節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)，而且減少船行在水上的壓力。 

    關(guān)于AlexThomson 

    AlexThomson是目前環(huán)球帆船賽事最為年輕的冠軍，曾獲得1998/99年克利伯環(huán)游世界帆船賽的冠軍；目前他仍保持著這一賽事記錄。之后，Alex的目標(biāo)是成為首個(gè)贏得法國(guó)旺底不靠岸單人環(huán)球航海賽（VendéeGlobe）冠軍的英國(guó)帆船選手。  

    挑戰(zhàn) 

    帆船滑動(dòng)內(nèi)飾頂板能夠保護(hù)船長(zhǎng)AlexThomson躲過(guò)沖到甲板上的浪花，使他在駕駛帆船時(shí)能夠最大限度的發(fā)揮船的潛力。頂板的設(shè)計(jì)同時(shí)能夠保持船身向前，從而最大化駕駛艙區(qū)域以供Alex操作。Caterham公司復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)經(jīng)費(fèi)和材料有限，項(xiàng)目需要在緊張的時(shí)間框架內(nèi)完成并配合整修和訓(xùn)練計(jì)劃。

    Caterham公司復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)的工程師使用現(xiàn)有的中模量碳纖維來(lái)做頂板的外殼。核心部分則使用泡沫和Nomex。加工使用的材料是膠合板，雖然精確，但是容易因溫度和壓力變化的影響而變形。由于膠合板不能熱壓處理，在項(xiàng)目和最終交付時(shí)就需要考慮到室溫固化樹(shù)脂較低體積分?jǐn)?shù)和較低力學(xué)性能這兩個(gè)特性。

      

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             “Caterham公司復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)和Altair工程專家聯(lián)手合作就意味著產(chǎn)品的交付能夠達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化的要求。”                                                                                                                                                                                                                         AlexThomson 

                                                                                              單人環(huán)球航海賽（VendéeGlobe）船長(zhǎng)                                                                                                                

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    解決方案

    Altair產(chǎn)品設(shè)計(jì)咨詢團(tuán)隊(duì)和Caterham公司復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)使用AltairHyperWorks對(duì)帆船頂板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 頂板內(nèi)部采用的材料是A500泡沫和Nomex蜂窩，外部采用T800碳纖維。可用的碳纖維是UD和編織碳纖維。0度及90 度板層僅用UD，30度、40度和60度板層只能夠用編織碳纖維。屋頂核心固定部分的厚度為20mm。優(yōu)化過(guò)程中考慮5個(gè)載 荷步。一個(gè)載荷步著重于作用于頂板0.65kNm2的水壓，而另外四個(gè)模擬Alex單腿在屋頂不同位置的情況（90kgat2g）。

Altair產(chǎn)品設(shè)計(jì)咨詢團(tuán)隊(duì)對(duì)頂板進(jìn)行了自由尺寸優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。第一步，自由尺寸優(yōu)化，確定了鋪層補(bǔ)丁最佳形狀和位置，基本上回答了：在結(jié)構(gòu)上需要哪些纖維角度？這決定了兩個(gè)目標(biāo)：規(guī)格最小化和整體質(zhì)量最小化。第二步，實(shí)現(xiàn)尺寸優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)鋪層補(bǔ)丁厚度優(yōu)化。工程師優(yōu)化系統(tǒng)達(dá)到以下目標(biāo)：規(guī)格最小化、約束撓度為10mm和約束失效指標(biāo)為0.5。  

    結(jié)論 

    根據(jù)預(yù)期要求的剛度，最終頂板設(shè)計(jì)總重為36kg，且在任何載荷工況下均沒(méi)有失效。在行駛帆船時(shí)既阻擋了浪花又不影響Alex的操作。通過(guò)Altair產(chǎn)品設(shè)計(jì)咨詢團(tuán)隊(duì)和Caterham公司復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)的合作，最終實(shí)現(xiàn)了頂板的設(shè)計(jì)優(yōu)化和生產(chǎn)。

             2012年7月，AlexThomson在橫跨大西洋單人帆船航行中實(shí)際檢驗(yàn)了頂板。回程時(shí)Alex評(píng)價(jià)了這次優(yōu)化設(shè)計(jì)，“我在冬季大西洋遇到的天氣給了我很多的機(jī)會(huì)充分測(cè)試我們?cè)陧敯迳纤龅恼{(diào)整，我很高興地說(shuō)這真是太完美了。Caterham公 司復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)和Altair工程專家的聯(lián)手合作就意味著產(chǎn)品的交付能夠達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。”  

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