复合结构设计师Adrian Sawyer设计复合材料超级游艇

当大多数人想像在游艇上航行时,这些情景可能涉及到比基尼,马提尼,也许是一些蒸气。为了增强这种经验,工程师设计了超级游艇,重点放在生物舒适上,寻找方法来适应船上的整个家庭。

然而,当涉及到游艇,你所得到的是一个完整的其他动物,尽管也不少。在这些情况下,工程师的目标是从寻找酒吧冰箱的地方转向从锚臂到每盎司,而不影响船舶的安全。

Reichel / Pugh Yacht Design(Reichel / Pugh)的复合结构设计师Adrian Sawyer说:“对于一个定制的超级游艇,结构必须隐藏在现代,开放和设备齐全的内部,使这些系统显着复杂。“设计赛车游艇需要一种本质上不同的方法,才能以不妥协的舒适度和审美魅力结合结构完整性和表现。

对于像Reichel / Pugh这样的公司来说,这是一个模拟优化和轻质材料的工作。由于Altair的计算机辅助工程(CAE)软件产品组合,大部分仿真成为可能。

Sawyer补充说:“对于专门设计的赛艇游艇,设计人员有很大的自由来优化轻质效率的结构布置。“梁,舱壁和索具基座可以放在较少的空间和内部舒适度,通常导致简化的结构。

模拟和轻量化游艇设计

复合结构设计师Adrian Sawyer设计复合材料超级游艇-CompositesPlus

RP-Baltic 130船体和甲板的应力分析。载荷似乎集中在甲板舷墙的周围。(图片由Reichel / Pugh提供)

除非你在岩石下生活得到你的工程学位,否则你可能会猜测许多材料都是设计在一个赛艇游艇上的。

你有更重的组件由钢制成,甚至铅。然后有轻质材料,如铝,玻璃纤维和碳纤维复合材料。

Sawyer解释说:“常规的各向同性金属材料本质上受到基本材料特性的限制,强度和刚度显着降低。“许多金属结构在不必要的方向上具有强度和刚度,而碳复合材料可以在多个方向上具有可变性质。

Sawyer解释说,目标是平衡给定零件功能的每种材料的独特性能,优点和缺点。在一天结束的时候,如果您可以在保持安全的同时减轻赛艇游艇的重量,那么您将提升其性能。使用模拟和轻质材料,Reichel / Pugh能够减轻其RP-Baltic 130船体/甲板及其RP90锚臂的重量。

Sawyer说:“如今,碳纤维领先于其强大的刚度和强度,重量比和独特的制造工艺。“碳纤维层的铺层工艺和方向性能使我们能够创造复杂的几何形状,有效地定向材料,并提供刚度和强度所需的结构厚度。”

不幸的是,工程师不能只是参与其中,将材料更换为更轻,更好的希望。他们需要优化部件,而不会产生安全隐患。即使是这样,谁来说这个部分本身就是最好的工作形式呢?

换句话说:工程师需要数据,并且可以使用有限元分析(FEA)软件来运行模拟和优化。其中一个产品套件Reichel / Pugh依赖于Altair的上述产品组合。Sawyer解释说,这一决定部分是由于产品线通过各向同性和复合材料优化零件的能力。

“我们使用[solidThinking] Inspire的拓扑优化来设计金属结构,如螺栓连接件和结构盖板。这有助于我们以不总是直观的方式去除不必要的材料,“Sawyer解释说。“我们还使用HyperWorks和OptiStruct对复杂船体结构进行全球分析,最近还对单个结构部件进行了复合层叠优化。”

如何轻量化赛艇游艇与模拟

复合结构设计师Adrian Sawyer设计复合材料超级游艇-CompositesPlus

使用RP90锚臂的FEA分析来优化复合材料,例如层厚度和取向。(图片由Reichel / Pugh提供)

Reichel / Pugh对RP-Baltic 130和RP90赛艇游艇设计的优化过程的第一步是对几何,装载和零件装配进行盘点。

下一步是检查初始材料并进行初步工程分析。然后,该公司评估如果使用碳复合材料制造RP90的锚臂将如何反应。工程师充分利用了该材料提供的更大的设计灵活性。

Sawyer说:“我们创造了一个完整的锚臂,与之前建造的任何东西在视觉上截然不同。“第一个挑战是创建一个表面网格模型,可以准确地表示最终零件几何,同时随着项目的进展而改变能力。”

两艘游艇中的每一艘的模型分为多个部分,分别浮出水面和网格。这使得设计团队能够改变每个零件,而不影响整个设计的网格。

Sawyer说:“锚臂初始的自由尺寸复合层优化令人惊讶的是容易设置和理解。“这个设计的挑战性部分是创造出一些可制造的产品,并了解Altair的计算架构,使其适应我们的具体需求。但是当我们这样做的时候,它是非常强大的。我们很容易地修改几何,加载情况,层形状和优化约束,以保持我们的结构和施工要求。

设计团队使用HyperMesh来修改构成RP90锚臂的帘布层形状。对所有Reichel / Pugh设计的超级游艇的船体,甲板和结构进行了类似的处理。

Sawyer说:“我们大量使用Hyperworks和Optistruct进行碳复合材料层的形状,方向和厚度,但是使用内部方法和制造约束来确定最终的厚度堆叠顺序。然后在OptiStruct中重新分析这些堆叠架,进行最终设计确认。“

Sawyer补充说,“使用可定制的复合材料,加上Reichel / Pugh的优化方法和Altair的FEA工具,这种锚臂只需要强度和刚度,而不浪费材料。

不幸的是,在轻量化和强度优化部件方面存在一个难题。通常,最好的设计是不可能制造的。Sawyer的团队也是如此,他们遇到了上篮,压实和修理零件的问题。

为了解决这个问题,Sawyer表示,他的团队“使用自由尺寸优化来建议优化的层状形状,并与施工人员密切合作,以修改优化的层状形状以实现可制造性。

幸运的是,制造技术不断变得越来越好,像3D打印机这样的工具使得一旦认为不可能制造,就更容易构建形状。Sawyer指出,这些趋势也影响到游艇设计。他有信心,随着技术的更好的装备,建立这些真正优化的设计,他的团队将准备创建它们。

 

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