Свою первую парусную яхту команда Zyz sailing team спроектировала и изготовила еще в 2008 году для того, чтобы принять участие в межвузовской регате 1001velaCUP. В течение восьми последующих лет усердной работы мы выпускали различные лодки, при проектировании которых мы пытались оптимизировать всё многообразие свойств, влияющих на характеристики судна. Правила гонок (R3 class), принятые в этих соревнованиях, накладывали геометрические и конструктивные ограничения на процесс проектирования: максимальные длина и ширина яхты равны 4,60 м и 2,10 м соответственно, при этом доля конструкции корпуса судна, выполненной из материалов растительного происхождения, должна составлять не менее 70% по массе.

Маленькая шлюпка под названием Zyz была первой попыткой команды в проектировании и изготовлении плавательного судна. Проектирование этой шлюпки в большей степени основывалось на гидростатических расчетах корпуса. Подбор геометрических характеристик внутренних силовых элементов был выполнен на основе имеющегося у команды опыта. Лодка изготавливалась классическим методом обшивки рейками. В результате судно вышло перетяжеленным, и было подвергнуто существенным изменениям после первой регаты.

Первый опыт, полученный на шлюпке Zyz, показал необходимость использования новых расчетных методов на этапе проектирования конструкции. После этого команда направила свои знания и опыт на внедрение численных методов в процесс интегрированного проектирования. Был принят подход, в рамках которого при исследовании параметрической CAD модели новой лодки параллельно используется численное решение задач гидродинамики и метод конечных элементов. Простота взаимодействия как с внешней параметрической CAD-моделью в PTC Creo 3.0, так и между модулями для расчёта задач механики и гидродинамики, склонила команду к использованию ANSYS Workbench и Fluent в качестве численных инструментов для проектирования.

Окончательная форма корпуса и конструкция новой лодки под названием LED (Linen Epoxy Dinghy) были получены путем итерационных расчётов на базе исходной классической формы с учетом предварительных допущений о скорости ветра и условий плавания. Результаты гидродинамического расчета (давление на парус, корпус и его элементы) были использованы в качестве условий нагружения для конечноэлементного расчета. Оценка влияния свободной поверхности воды в расчетах корпуса лодки выполнена при помощи метода объёма жидкости (Volume of Fluid) на сетке конечных элементов высокого качества в форме гексаэдра. Также были исследованы различные конфигурации парусов и элементов корпуса.

Если говорить о гидродинамическом расчете, то его целью было определить наиболее удачную внешнюю форму паруса, корпуса и его элементов. В то же время, целью расчета по методу конечных элементов была оптимизация внутренних силовых элементов корпуса. Прежде всего, команда Zyz sailing team разработала и изготовила экологически чистый материал для корпуса – сендвич-панели на основе пробкового наполнителя и льняной ткани. Материал, выбранный для внутренних силовых элементов, – фанера из дерева окумё (okoumè). При помощи модуля ANSYS Composite PrepPost (ACP) была получена реалистичная модель корпуса лодки с симметричной схемой укладки слоёв сендвич-панели, эта модель была использована для дальнейших расчетов в ANSYS Mechanical. Для начала, был выполнен статический анализ исходной конструкции, в котором были учтены результаты гидродинамического расчёта, а также  нагрузки на мачту и ванты от оснастки. Первые результаты расчета показали расположение наиболее нагруженных зон на корпусе и его силовых элементах. В итоге, была разработана окончательная конструкция лодки LED, дальнейшее изготовление которой проходило в лабораториях Палермского университета с использованием метода вакуумной инфузии.

Далее команда решила создать экспериментальный стенд, преследовавший сразу две цели: оценка результатов, полученных с помощью метода конечных элементов, и разработка системы мониторинга нагрузок на лодку в режиме реального времени. Для этого в зонах наибольших деформаций, определенных по результатам расчета, были установлены единичные тензодатчики и розетки. Принимая во внимание то, что корпус лодки состоит из сэндвич-панелей на основе пробкового наполнителя и льняной ткани, определение компонентов главной деформации на внутренней поверхности обшивки выполнялось при помощи четырех тройных розеток тензодатчиков с дополнительной розеткой для температурной компенсации. Для определения максимальной величины деформации на поперечных и продольных силовых элементах, сделанных из фанеры, были установлены четыре одиночных тензодатчика и один тензодатчик для температурной компенсации. По результатам проведенных в лаборатории исследований было установлено хорошее согласование расчетных и экспериментальных значений.

Итак, данный проект характерен комплексным использованием инструментов численного моделирования от ANSYS: ANSYS Fluent для выполнения гидродинамического расчета корпуса, парусов и оснастки; ANSYS Composite PrepPost для реалистичного воспроизведения свойств экологически чистого материала сэндвич-панелей; ANSYS Mechanical для определения деформированного состояния силовых элементов. В результате получена довольно легкая и жесткая конструкция парусной лодки LED, которая может успешно составить достойную конкуренцию на соревнованиях в своем классе.

Справка об авторах:

Antonio Mancuso – профессор кафедры проектирования и методов расчета в инженерии (Университет Палермо, Италия), лидер команды Zyz. Сферами его интересов являются методологии проектирования и оптимизации конструкции, проектирование парусных яхт и численное моделирование.

Giuseppe Pitarresi – профессор кафедры сопротивления материалов и деталей машин (Университет Палермо, Италия), в команде Zyz занимается определением свойств материалов. Основными сферами научной деятельности являются: экспериментальное исследование полей напряжений, методы неразрушающего контроля, определение механических свойств полимеров и композиционных материалов на их основе.

Davide Tumino – ассистент кафедры проектирования и методов расчета в инженерии (Университет ”Kore” в городе Энна, Италия), в команде Zyz занимается проектированием и определением размеров конструкции. Интересуется методологиями проектирования и оптимизации конструкции, проектированием парусных яхт и численным моделированием.

Источник: http://www.ansys-blog.com/zyz-sailing-team-designs-using-ansys/
Автор:   Antonio Mancuso и др.