客户案例：iXent公司用Tosca Structure、Isight以及Abaqus来开发一款绞车齿轮

挑战

为了确保船体和船上部件能在严酷的航行条件下承受随时可能出现的超限载荷，从而发挥出最佳性能并赢得好成绩，帆船项目通常要求极高的设计鲁棒性。与此同时，设计方案还必须尽可能做到轻量化，以满足各参赛级别的重量要求。为此，Alegre3帆船的业主聘请了高级工程公司iXent来协助开展关键组件的设计强化和轻量化工作。

解决方案

iXent采用Tosca Structure、Isight以及 Abaqus来开发一款绞车齿轮，使其能在赛事中承受极端严酷的考验。

优势

iXent公司成功交付了此前从未探索过的高度优化的部件设计方案。SIMULIA的产品协助其快速分析和对比许多不同的备选设计，从中找到真正最佳的解决方案。

帆船优雅地在洋面上穿行，这样的景观引人入胜。流线型船身破浪前行，高扬的风帆随风转向，船员们配合风向从船的一侧转向另一侧加强操控，船只则奋勇向前。各路人马全力以赴操控绞车，带动绳索转动，进而调节帆船的整体性能。

很显然，带动绞车转动需要强大人力。两名船员彼此相向，紧握把手并全力以赴进行高速转动。他们为此付出巨大努力，通过绞车装置牵动一系列绳索的运动。这些绳索包括升降索、下拉索、板片等，通过一系列绞车转动操控或紧或松，从而改变风帆的方向和帆桁定位。休闲型帆船采用轻量化的单手绞车进行操控，但竞赛型帆船可没这么轻松，需要多达六支双人团队用强大的人工力量实施操控，从而确保帆船关键组件的正常运行。

德国科技咨询与工程设计服务公司iXent的创始合伙人T h o m a s H a h n 指出：“ 操控帆船强度越大，绞车结构所受的载荷也就越高。”该公司专门从事复合材料的轻量化应用工程设计工作。Hahn与联合创始人Christoph Erbelding当然了解其中的技术，他们曾协助美国Oracle帆船队设计组件，并协助该队夺得两届美洲杯帆船赛冠军。

为何是两名航空工程师来为游艇设计绞车

Hahn与Erbelding尽管现在以帆船专业技术而著称，但是他们原来接受的是航空工程师教育，随后在汽车行业工作多年。不过，他们身处慕尼黑（靠近奥迪、宝马与梅赛德斯），而且iXent在汽车复合材料领域拥有丰富的专业技术（现在仍在不断扩展），因此美洲杯赛事赞助商宝马公司于2004年邀请他们加入Oracle美国队的“技术团队”。iXent凭借支持Oracle美国队，在高科技帆船领域的技术实力迅速发展，而美国队也夺得2010年和2013年两届美洲杯赛事冠军。公司目前正在参与2017年赛事团队的工作。

当然，游艇是一个多样化的庞大世界，全球每年都进行各种不同级别的赛事，涉及各种不同的船长、船型和索具等。劳力士超级帆船杯(R o l e x Ma x iWo r l ds)是大型帆船（长度超过72英尺的超级帆船）的关键赛事，该赛事已持续举办了35年，每年9月在意大利切尔沃港(Porto Cervo)的拉尔达游艇俱乐部(Costa Smeralda Yacht Club)举行。2010年该赛事加入了“小型”超级帆船“Mini-Maxi”级别的比赛项目。无论船身多长，Maxis都以推进设计与技术创新领域的极限而著称。

Alegre 3是一艘Mini-Maxi帆船（24米长），该帆船业主成为了iXent的客户。2010年Oracle团队的绞车专家Jon Williams在Stay In Phase Ltd.工作，他向业主推荐了iXent的强大实力。Alegre团队希望微调设计方案，改进重量，从而能在切尔沃港两年仅获得第二名的基础上更进一步争夺冠军。

船上的所有部件都可以进行审查修改，从而推进实现一定程度的显著发展。跳板甲板从座舱地板到前甲板形成连续表面，从而作为不间断的载荷路径，提高硬度。鳍状龙骨固定于龙骨塔，从而最大限度地增强内部强度，获得最大的扶正力矩。

为满足强度提高后索具需要承受的更大载荷要求，Williams请iXent重新构思绞车设计，提高绞车的稳健性，能承受尽可能大的负重。主绞车应位于最佳位置，配合修剪和纵槽位置，让绞车齿轮作为立轴的一部分能实现最高硬度。

仿真技术带来了高强度、轻量化的设计方案

iXent重点分析每个绞车轴内部保持所有部件就位的支撑板。Hahn见过的其他齿轮支架设计方案基本都为平面圆形板，在受力过大的情况下很容易发生弯扭。他表示：“这种板必须极为强大。我亲眼见到过承载力不足的情况下发生扭曲变形的情况。如果支撑板发生偏斜，整个传动系统就会锁死，也就无法移动主帆了。”

那么，如何为Alegre设计最佳绞车支撑板呢？尽管iXent 应用了自身丰富的行业知识以及一些保密性的专有技术，不过Hahn还是愿意透露一些其团队使用的仿真工具，这些工具能指导团队的创新工作，包括SIMULIA产品组合旗下的工具、Tosc aStructure（用于非参数拓扑优化）、Isight（用于流程自动化与参数优化）以及Abaqus（用于有限元分析）。其主要的CAD工具就是达索系统的CATIA。

“我们认为，一个整体的仿真套件解决方案非常关键。如果不使用这样的仿真技术，我们就必将会在技术上落伍。有了这样的数字化工具，我们就能基于体验来制定决策。”— Thomas Hahn，iXent创始合伙人

Hahn指出：“我们欣喜地看到，整个仿真套件发挥了重要作用。仿真流程链涵盖所有元素，从概念到详细设计无所不包。我们的客户知道我们采用前沿技术。但如果不使用这种前沿技术，就会落后。这些数字化工具为我们制定基于体验的决策提供了极大支持。”

该体验要求采用复合材料。Hahn指出：“要尽量做到设计方案轻量化，因为现在要让帆船像飞一样行驶。就Alegre来说，帆船等级限定了最大重量。就任何组件而言，只要能用复合材料减重，就应该这么做。即便只减轻几克，几个部件叠加起来也能实现显著的减重效果。”

应对耐久性挑战需要进一步分析赛事期间各绞车会遇到什么类型的载荷。Hahn指出：“6名队员操作3部绞车，就主帆索帆而言，这相当于高达1200牛顿米，比3台中型汽车的载荷还要高。还可以换一个角度来分析，1200Nm约为当前3升柴油引擎扭矩的3倍，这种引擎素以获得最佳扭矩而著称。”

Tosca推动想象力与创新发展，并制造“蝙蝠侠”

估算载荷后，团队就要采用Tosca进行非参数化问题分析。Hahn指出：“对于每一个设计问题，我们都跳出窠臼进行构思。我们强调：‘要开展创新思维’。——这就是我们为何选择使用Tosca。我们一开始定义的结构就像是黑匣子，向其中加入预期的载荷案例，包括顶部受载、底部受载等，多达10个。“即便作为经验丰富的工程师，我也无法全面设想最佳减重结构是什么样的，难以想象应该在什么地方添加什么材料。不过，Tosca能自动运行各种可能性，从而提供类似于罗夏测验的综合模式，并找到最高效的结构。”

由于Tosca给出的初步结果很像蝙蝠侠暗夜骑士竭力拯救的标志，因此该团队亲切地将新型绞车支撑板设计命名为“蝙蝠侠”。团队接下来在CATIA中重构Tosca几何体，将其进一步细化为3D CAD格式，随后再用预处理器ANSA（来自Beta CAE）提取可操作的文件到Abaqus中，设置扭矩和弯矩，反映出部件在操作中可能历经遇到的载荷包络。

Isight与Abaqus优化复合材料设计

最终，团队采用Isight自动驱动一系列Abaqus有限元分析，得到优化的复合材料层压设计，做到尽可能轻量化，同时又能满足所有边界条件。Hahn指出：“手工无法实现这种程度的优化。你或许有一定的直觉，但这些工具能榨出层合板设计所有的减重可能性，这真是太神奇了。”Hahn指出；“有趣的是，Tosca还有助于在生产流程后期明确复合材料排列方位。Tosca打造桁架/桥梁结构，其以最少量的材料实现弯曲挠度最小化。当然，复合材料基本就是这样，其纤维排列方位顺着纤维长度的方向最强，无论压缩还是拉伸都是如此。因此，我们就采用Tosca来设计复合材料层合板，因为原理都是相同的。”

轴内部的绞车齿轮（红色）和支架（灰色和白色）。绞车（未显示）位于顶部。

绞车齿轮支撑板优化的最初设计空间。采用这种平面圆形的设计方案容易在激烈的帆船竞赛中发生高压下扭曲的问题。

最终的“蝙蝠侠”设计相对于典型的帆船组件减重约17%。最终，无论是巧合还是怎样，采用新型优化的绞车齿轮支撑板的Alegre赢得了2014年Mini-Max赛事冠军。

胜利需要团队协作

Hahn是个大忙人。几个月后，他听说帆船赛得了冠军，深感惊喜。他说：“仅在一个领域内强大并不能确保获胜。要想获胜，就要有最好的整体‘套件’，包括出色的船员、很好的地面支持，当然还要有出色的设计。就设计而言，我们的客户非常喜欢最终的“蝙蝠侠”解决方案，做到了既轻量化又非常强大。如果船上所有组成部分都能做到这么好，必然就会获得最佳的设计套件。”

（左）iXent帆船齿轮支撑的首次Tosca迭代和（右）最终结果。

（上）蝙蝠侠绞车支撑板设计的最终制图。请注意外侧边缘提供更大硬度的趾骨（右上图）。（下）完成的蝙蝠侠复合材料组件。

这种对待胜利和成功的态度帮助iXent在多种不同的减重挑战中应用Tosca专业技术，服务于汽车和自动化制造领域的许多客户。Hahn指出：“蝙蝠侠这个例子很好地说明了Tosca能发挥什么样的作用。我们同时还在更大型的结构中使用Tosca，包括在车辆和船只大型部件等。只要不清楚何种形状是最高效设计，就都能采用Tosca。Tosca能激发你的想象力，让你突破设计瓶颈。”

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