Zlepšení palivové účinnosti prostřednictvím inženýrství mračen bodů
Společnost Aerodynamic Trailer Systems používá softwarové řešení PolyWorks® u nafukovacích zadních částí návěsů nákladních automobilů k digitalizaci náročného tvaru, provedení analýzy CFD a testů ve větrných tunelech.
Aerodynamic Trailer Systems Ltd. Společnost ATS sídlící ve městě Auburn (Ohio, USA) vyvinula nový produkt, který pasuje na dveře návěsů a zajistí aerodynamičtější tvar zadní části návěsu. Cílem je „zelená technologie“ určená ke snižování emisí díky vyšší palivové účinnosti nákladních automobilů. Výrobek, nafukovací zadní část ve tvaru „lodní zádě“, je aerodynamické zařízení, které snižuje odpor způsobený vzduchem proudícím náhodným, turbulentním způsobem kolem zadní části návěsu. Efektivně mění plochý povrch zadních dveří na zakřivený tvar.
Výzva
Nový design konce návěsu vyvinutý společností Aerodynamic Trailer Systems tvoří nafukovací zadní část ve tvaru „lodní zádě“ vyrobené z odolného pružného polymerového materiálu, který se automaticky nafukuje a vyfukuje pomocí dmychadla a ventilového systému při předem nastavených rychlostech na dálnici. Vypuštěná poloha překonává konstrukční problém – umožňuje úplné otevření zadních dveří pro nakládku.
„Nafouknutá zadní část návěsu má jedinečný, zakřivený tvar, který je velmi obtížné předem definovat na technických výkresech nebo změřit. To nám ztěžuje modelování,“ uvedl Jim Domo, výkonný ředitel společnosti Aerodynamic Trailer Systems. „Chtěli jsme změřit aerodynamický profil zařízení. Protože návěs jakéhokoli náklaďáku je příliš velký na to, aby se vešel do větrného tunelu v našem závodu, potřebovali jsme vytvořit zmenšený model, který by přesně odpovídal fyzickému tvaru. Paralelně jsme potřebovali digitální verzi nafukovací zadní části ve tvaru lodní zádě, abychom mohli provést softwarovou počítačovou analýzu proudění vzduchu (analýzu CFD).“
Řešení
V Aerodynamic Trailer Systems se obrátili na společnost 3D Scan IT, Inc., aby probrali alternativy k tradičním technikám získávání dat. 3D Scan IT je metrologická společnost, která slouží jako integrátor PolyWorks v Severní Americe. Její sídlo najdete ve městě Royal Oak (Michigan, USA). Technici společnosti 3D Scan IT doporučili pro sběr dat bezkontaktní skener s vysokým rozlišením a do závodu ATS proto přivezli skener s bílým světlem Imetric IScan.
„Nejprve jsme použili fotogrammetrii, abychom stanovili referenční body na povrchu modelu nafukovací zadní části, a poté jsme provedli kompletní skenování pomocí skenovacího systému s bílým světlem Imetric. Nastavení a fotogrammetrie zabraly asi dvě hodiny – a to včetně kalibrace skeneru, zaměření komponent a samotné realizace fotogrammetrie. Proces skenování trval asi tři hodiny,“, uvedl Bob Squier, prezident společnosti 3D Scan IT.
Správa dat z mračen bodů přináší rychlé výsledky
Data byla získána pomocí softwarové sady PolyWorks od společnosti InnovMetric. Celkem bylo pořízeno 62 skenů, které byly zarovnány do souřadnicového systému vytvořeného fotogrammetrií. V modulu PolyWorks|IMAlign™ bylo provedeno tolerančně řízené zarovnání nejlepšího proložení skenů. Zarovnané skeny byly poté zpracovány pomocí modulu PolyWorks|MMerge™, aby mohla být vytvořena polygonální síť, která odstranila veškerá překrývající se data skenů a texturu textilie a zároveň zmenšila velikost souboru.
Polygonální model byl poté přenesen do modulu PolyWorks|IMEdit™, aby se odstranily fotogrammetrické terče. Vodotěsný polygonální model byl vygenerován pomocí funkce pro vyplňování otvorů na základě zakřivení která je součástí IMEdit.
Skenování nafukovací zadní části.
Testování ve větrném tunelu
Společnost ATS chtěla otestovat výkon nafukovací zadní části ve větrném tunelu. „Cílem bylo vytvořit soubor, který bychom mohli použít během procesu rychlého prototypování k rychlému vytvoření nafukovací zadní části v měřítku 1:8, kterou bychom následně mohli použít pro testování výkonu ve větrném tunelu,“ řekl Patrick Ryan, prezident společnosti ATS.
Prototyp vytvořený z modelu PolyWorks STL.
Aby bylo možné provést simulaci, polygonální model byl odeslán do střediska pro automobilový výzkum ve městě Indianapolis (Indiana, USA). Toto testovací zařízení s větrným tunelem s otevřeným prouděním vzduchu, které v první řadě slouží k testování závodních automobilů,přesně kopíruje podmínky na dálnici. Expert ze střediska pro automobilový výzkum použil k vytvoření zmenšeného modelu nafukovací zadní části 3D tiskárnu Stratasys FDM 8000 a vodotěsný polygonální model od společnosti 3D Scan IT, Inc., aby vytvořil díl z ultratenkých vrstev silného ABS plastu.
„Plánovali jsme použít data z testování ve větrném tunelu k případným konstrukčním změnám výrobku na poslední chvíli, než poputuje do výroby, takže pro náš projekt bylo zásadní, aby byl model co nejpřesnější,“, řekl Ryan.
Proces vytváření modelu NURBS.
Analýza CFD
Kromě testování ve větrném tunelu chtěla společnost ATS provést analýzu CFD. Za účelem této analýzy připravila společnost 3D Scan IT povrchový model (model NURBS) pomocí modulu PolyWorks|IMEdit.
Nejprve byla v aplikaci IMEdit vytvořena síť křivek pomocí funkcí Extrakce a úpravy křivek. Automatické postupy pro napasování povrchů NURBS vytvářejí povrchy až po dokončení křivek. K zarovnání modelu s obecným souřadnicovým systémem dveří návěsu byl proto použit modul PolyWorks|IMInspect™, protože nafukovací zadní část musela přesně odpovídat oblasti dveří, aniž by překážela pantům.
Optimalizovaný model NURBS byl zaslán expertům z NASA, kteří provedli analýzu CFD. Tento software poskytl rychlý přehled o aerodynamickém výkonu nafukovací zadní části za různých podmínek.
Model NURBS byl také exportován do softwarové sady SolidWorks® společnosti ATS, aby byl k dispozici pro budoucí modifikace a výrobní účely.
Výhody
Podle slov Doma a Ryana byl model nafukovací zadní části v měřítku 1:8 (vytvořený laserovým skenováním a správou dat z mračen bodů) rozměrově přesným modelem výrobku v plné velikosti a prakticky přesnou replikou. „Byli jsme přesvědčeni, že testováním ve větrném tunelu získáme funkční výsledky, které se budou vztahovat přímo na výrobek v plné velikosti,“, uvedl Ryan.
Spotřeba paliva se snížila až o 5 %
Výsledky testů ukázaly, že nafukovací zadní část může snížit spotřebu paliva až o 5 %. „To se promítá do nižších emisí a nákladů na pohonné hmoty díky lepšímu aerodynamického odporu návěsu, čímž se snižuje efektivní zatížení tahače a zlepšuje se celková efektivita,“, uvedl Domo. „Kromě toho pevně věříme, že po několika drobných úpravách tvaru výrobku, můžeme tento profil ještě vylepšit.“ Dodal, že použití technologie skenování a správy dat z mračen bodů výrazně zkrátilo čas potřebný na vytvoření modelu. „K přesnému modelu jsme se dopracovali během několika dnů,“, řekl.
Bob Squier ze společnosti 3D Scan IT, Inc., uvedl, že tato aplikace je jedinečná v tom, že celý proces návrhu a výroby spoléhal na skenování a zpřesňování dat z mračen bodů v kombinaci s rychlým vytvořením prototypu. „S klasickým přístupem k vytváření návrhu a vývoji výrobku bychom jednoduše nedosáhli výsledků, které společnost hledala.“
