开个技术外挂｜数字孪生技术如何成为美洲杯帆船赛成功的关键？

第 37 届美洲杯帆船赛（AC37）将于 2024 年 8 月至 10 月在西班牙巴塞罗那举行，六支帆船队正蓄势待发，争夺冠军。与历届美洲杯帆船赛一样，这次比赛也将非常艰苦。美洲杯帆船赛可以追溯到 1851 年，是历史最悠久的国际体育奖杯，也被认为是最艰苦的帆船比赛之一。

本届美洲杯的竞争者之一是 Luna Rossa Prada Pirelli 船队，他们希望明年能将美洲杯带回意大利。为此，他们需要一支配备先进游艇的优秀团队。为了应对游艇开发所面临的挑战，他们的工程师正与 Altair 密切合作，借助 Altair 仿真、高性能计算和数据分析技术优化赛艇，提升性能。

工程团队的发展挑战：严格的赛艇规则

为了设计出一艘成功的游艇，美洲杯帆船赛团队面临着各种外部限制，最主要的制约因素之一是比赛规则。工程团队不仅在游艇的最终设计中，而且在设计和开发阶段都必须遵守这些规则。

一般来说，这些规则禁止参赛队使用某些工具、原型和测试方法，以确保合理的竞争公平性。在 AC37 级比赛中，参赛队必须使用 "AC75 "级帆船，即 75 英尺长的单体赛艇。在这个级别中，还有更多的设计限制，包括箔片和其他关键部件的数量上限。除了这些限制之外，比赛还非常重视降低成本，这意味着参赛队不能通过花钱来应对设计或开发方面的挑战。

在开发过程中使用仿真、高性能计算和数据分析工具，帮助 Luna Rossa 工程团队迅速确定了最具优化潜力的部件。

上一届美洲杯帆船赛（AC36）也采用了 AC75 船级。因此，Luna Rossa Prada Pirelli 船队面临的最大挑战是如何快速确定可显著提高性能的部件、系统和结构。当团队为 AC36 建造船只时，这是一次全新的创新。这次，所有船只都将以 AC36 使用的模型为基础，因此将代表赛艇设计的进化，而不是革命。这就意味着，能够发现并实现最大幅度性能提升的团队将有可能脱颖而出。因此，工程师们需要把精力集中在最有可能一开始就取得成功的领域。

Luna Rossa Prada Pirelli 船队结构工程主管 Alessandro Franceschetti 表示：“我们在这次比赛中看到的船将是我们在 2021 年上届美洲杯帆船赛中使用的船的演变版。规则改变了，也有一些修改。不过，所有团队都在上届比赛中获得了基本知识，在建造第二艘船时已经有了自己的发展基准或趋势。能够找到创造性解决方案的团队将是最有机会获胜的团队，需要走出舒适区和探索新想法。”

智能制造助力开发

为了应对设计挑战和竞争压力，Luna Rossa Prada Pirelli 团队在 AC37 项目中与 Altair 密切合作。至关重要的是，这种合作关系远远超出了软件工具的范畴。Luna Rossa Prada Pirelli 的工程师不仅使用 Altair 的解决方案，他们还充分利用 Altair 工程师的现场专业知识和经验，Altair 工程师与他们的团队直接集成。这有助于团队快速筛选部件和系统，并确定最有可能通过优化获得性能提升的部件和系统。

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应用仿真、高性能计算和数据分析是一个非常强大的组合，使我们的开发更有效率。能够利用业界领先的工具识别和优化部件和模型，为我们提供了提高游艇性能的最佳机会。

—— Luna Rossa Prada Pirelli 船队结构工程主管 Alessandro Franceschetti

”

仿真及 HPC 技术融合的优势

Luna Rossa Prada Pirelli 团队对 Altair 的功能并不陌生。在 AC36 比赛中，其团队使用了 Altair 强大的结构仿真组合。但在 AC37 赛事中，他们将 Altair 的应用提升到了一个新的水平。现在，Luna Rossa Prada Pirelli 车队正在利用 Altair 的更多技术，这些都得益于其团队与 Altair 专家一同协作。

这个扩展的工具包增强了 Luna Rossa Prada Pirelli 团队的能力。在开发流程的第一阶段，利用 Altair 的 HPC 工具有助于加快部件筛选，来确定具有最大优化潜力的部件。利用 Altair 的 HPC 工具，用户可以并行提交任务，即许多不同的优化任务或大型、计算量大的仿真，而不必一个接一个地提交或等待结果。这样，工程师就能更快地获得结果。如果工程师能更快地获得结果，他们就能更快地优化组件和系统，从而加快整个开发过程。有了高性能计算，这一切只需要以前所需的一小部分时间。

在美洲杯帆船赛中，无论是开发还是比赛本身，时间都是至关重要的。工程师们能在短暂的时间内完成的工作越多，他们能做的分析和优化也就越多。Franceschetti 表示："你需要在最后一刻才准备好升级。过去，有些团队开始时非常顺利，但后来却停止了开发进程，或者在活动初期过早地进入了‘开发高原’，这导致其他团队超过了他们。可以看出，在整个活动期间，直到活动结束前，随时准备升级是成功的关键。”

利用数字孪生技术

数字孪生技术是工程技术在美洲杯帆船赛及其他赛事中取得成功的另一个关键。Luna Rossa Prada Pirelli 团队使用 Altair 解决方案等工具，应用了四步数字孪生概念。

第一阶段：在数字孪生创建之初，团队使用低分辨率模型快速筛选出具有最大优化潜力的模型。

第二阶段：团队会选择一个候选模型来提高保真度。对于选定的候选模型，他们会建立高分辨率模型，开始捕捉更多细节；例如，这些模型可以捕捉部件的结构响应。一旦数字孪生达到这一阶段，就会启动第三阶段。

第三阶段：使团队能够使用 1:1 比例的原型组件来验证第一和第二阶段的结果。在实验室中对原型进行全面的仪器安装和测试。在这一阶段，团队可以将实验结果与虚拟测试联系起来，对数字孪生进行验证。

第四阶段：一旦拼图的所有部件（组件）都通过验证，它们就会合并成一个数字孪生模型，这是整艘船的精确虚拟再现。

数字孪生模型的主要优点是可以实时监控整个系统。安装在船上的传感器输入的信息不仅用于检查船只，还反馈给数字孪生模型作为输入。这使得团队不仅能复制一个区域的压力，还能复制整条船的压力，从而绘制出关键区域的地图。

Altair 的详细复合材料结构分析解决方案改进了 Luna Rossa 团队的设计。

有了这些地图，工程师就可以向其他领域的专家提供船上关键区域的信息。这些区域是已经存在缺陷或可能出现缺陷的区域。Franceschetti 说到：“对我们来说，可靠的数字孪生的最佳结果就是我们所说的虚拟结构健康监测，即 SHM。在这里，安装在船上的所有传感器都在实时传输船上的应力信息。这包括光纤、应变仪、称重传感器和压力传感器。除此之外，数字孪生系统还能让我们实时了解船只的整体状态。这使我们有能力审查或改进我们未来的发展。”

AC37 帆船赛确实是一场独一无二的比赛，不仅是帆船队，工程师团队也必须竭尽全力才能获胜。仿真、数据分析、人工智能和高性能计算（HPC）融合在数字孪生中，为参赛队带来了制胜优势。Luna Rossa Prada Pirelli 团队与 Altair 一起期待着在巴塞罗那举行的杯赛，希望能将国际比赛中最令人垂涎的奖杯之一带回家。

关于 Altair RapidMiner

Altair RapidMiner 数据分析与人工智能平台，是 Altair 澳汰尔公司旗下仿真、HPC 和数据分析三块主营业务中的解决方案，它在数据分析领域最早实现将自动化数据科学、文本分析、自动特征工程和深度学习等多种功能同时集成的一站式数据分析平台，帮助用户解决从数据清洗、准备、数据科学建模到模型管理和部署，同时又支持数据和流数据的实时分析可视化的数据分析平台。

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