Generování povrchových dat pro počítačové
simulace letu.
Společnost Lockheed Martin musí splnit napnutý termín pro 3D skenování a zpracování mračen bodů stíhačky z 50. let.
V roce 2005 zaujala divizi Missiles & Fire Control společnosti Lockhead Martin (dále jen LM M&FC) aerodynamika 50 let staré švédské stíhačky Saab A-35 Draken. Odborníci na aerodynamiku z LM M&FC potřebovali velmi přesnou digitální kopii letadla, kterou by bylo možné importovat do nástrojů pro inženýrskou analýzu, aby bylo možné získat skutečný aerodynamický výkon..
Požadována byla kompletní, přesná data povrchu celého letadla spolu se skeny výklenků pro zbraně ve vysokém rozlišení. Lockheed Martin proto požádal společnost Exact Metrology, která se zabývá technologiemi 3D skenování, aby získala a vytvořila data, , která by bylo možné vložit do počítačových simulací letu.
Data byla potřebná pro zajištění toho, že systémy dodávání zbraní přežijí v bojových prostředích 21. století. Dodavatelé, jako je Lockheed Martin, kteří působí v leteckém průmyslu, neustále hledají způsoby, jak zmírnit vysoké náklady na testování. Jedním z řešení je využití komerčních firem namísto vojenského testovacího zařízení a spíše digitálních než fyzických prostředků.
Výzva
- Zachytit v plné velikosti tvar letadla o délce 15 m s rozpětím křídel 9,5 m.
- Rychle dodat NURBS povrchy pro simulační software.
- Zpracovat data získaná ze skenerů s vysokým a nízkým rozlišením.
Při skenování a digitalizaci bylo nutné čelit třem velkým výzvám:
- Rychlost: Společnost Lockheed Martin spěchala, protože měla před sebou 90 dnů nepřetržitého zpracovávání dat pro simulace letu. Počáteční povrchová data bylo nutné dodat během týdne a společnost Exact Metrology jim je dokázala dát.
- Velikost modelu: Letoun Draken byl pro digitalizaci obrovským modelem. Byl dlouhý více než 15 m s rozpětím křídel 9,5 m a směrovým kormidlem sahajícím do výšky přes 4 m. Aby bylo možné minimalizovat velikost souboru byly použity dva typy skenerů: skener s vysokým rozlišením (VIVID 910 značky Konica-Minolta) pro vysoce detailní oblasti a pro ploché oblasti rychlejší skener s nízkým rozlišením (Cyra2500 značky Leica).
- Flexibilita: Společnost Exact Metrology potřebovala softwarové řešení, které by zpracovávalo data získaná ze skenerů s vysokým a nízkým rozlišením.
Aby společnost Exact Metrology dokázala těmto výzvám čelit, obrátila se na PolyWorks®, přední softwarové řešení pro zpracování mračen bodů od výrobce InnovMetric Software.
Řešení
Volba správné posádky do terénu
Společnost Exact Metrology získala tuto práci díky svým jedinečným zkušenostem se skenováním v dlouhém a krátkém dosahu. Rozhodnout pomohlo také to, že Exact Metrology měla prostor hned zareagovat.
Týden před Dnem díkůvzdání (2005) přijala telefonát od společnosti Lockheed Martin. Matt Cappel, manažer společnosti Exact Metrology, již o tři dny později směřoval letadlem do Los Angeles spolu s operátorem skeneru. Skenování bylo dokončeno za dva dny a na Den díkůvzdání byli doma. Skenování bylo provedeno ve městě Inyokern v kalifornské poušti Mojave (USA). Šest zbývajících letounů Draken bylo rekonstruováno a dopraveno právě tam.
Pro projekt Draken potřebovala společnost Exact Metrology rychle zpracovat několik gigabajtů dat z mračen bodů ve velmi rozdílných rozlišeních (rozdíl až 10 000× nebo pět řádových velikostí) do jediného modelu CAD). Při práci s vysokým rozlišením shromáždila společnost Exact Metrology 266 mračen bodů, v průměru 250 000 bodů na díl. Jednalo se o práci na blízko, na krátkou vzdálenost s pořizováním snímků o velikosti zhruba 0,185 metrů čtverečních pomocí skeneru Minolta VIVID 910.
Skenování s nízkým rozlišením bylo provedeno pomocí zařízení Cyra2500 od společnosti Leica Geosystems. U těchto skenů technici nasbírali asi 20 milionů bodů. „Bylo to dostatečně přesné i pro ty nejmenší aerodynamické tvary, ale nemělo to tak vysoké rozlišení, aby byla zachycena nepotřebná data, jako jsou hlavy nýtů nebo body závěsů,“ uvedl Cappel. „Práce s nízkým rozlišením pro nás byla spíše jako geodetický průzkum.“
Po všech skenováních a digitalizaci měla společnost Exact Metrology cca 250 skenů s vysokým a nízkým rozlišením o celkové velikosti 4.6 gigabajtů. Avšak výsledný soubor, který byl dodán do Lockheed Martin byl relativně malý cca 200 megabajtu (200MB).
Zarovnání skenů
K zarovnání 260 skenů do jednoho modelu byl použit modul PolyWorks|IMAlign™. Technika zarovnání PolyWorks nevyžaduje použití cílů nebo značek na dílu. Namísto toho využívá geometrický tvar samotných skenů k jejich vzájemnému zarovnání. „To, že na letadle nebylo nutné používat cíle, výrazně zlepšilo proces skenování,“ prohlásil Cappel.
Polygonální model
Po zarovnání skenů byl výsledný model mračna bodů transformován v modulu PolyWorks|IMMerge™ na polygonální model ve formátu Stereolithography Tessellation Language (STL). Software PolyWorks vytváří polygonální síť (trojúhelníky) přizpůsobenou zakřivení povrchu při zachování vysokého rozlišení hran a zaoblení a zároveň vytváří větší trojúhelníky v plochých oblastech. Některé simulační softwarové balíčky umí zpracovávat soubory STL, ale systém používaný LM M&FC je nepodporoval. Proto byl potřebný soubor použitelný v CAD.
Vytvoření sítě křivek
K vytvoření modelu použitelného v CAD systému vypočítá software PolyWorks matematické zastoupení povrchů nazývaných NURBS ( non-uniform rational B-splines) na polygonálním modelu. Před výpočtem povrchů NURBS je na polygonálním modelu vytvořena síť křivek, aby se určilo, kam mají být povrchy napasovány. Software PolyWorks poskytuje automatické i ruční nástroje pro vytvoření sítě křivek. Charakteristické křivky lze extrahovat jedním kliknutím myši pomocí extrakčních algoritmů PolyWorks. Síť křivek lze ručně zpřesnit pomocí technik, kde se od uživatele požaduje pouze několik kliknutí.
Povrchy NURBS
Povrchy NURBS byly následně automaticky napasovány na síť křivek. Tyto povrchy byly exportovány jako soubory IGES nebo STEP do analytického systému Lockheed Martin. Konečné výstupy splňovaly požadavky společnosti Lockheed Martin z hlediska přesnosti, velikosti souboru a počtu záplat.
Software PolyWorks generuje povrchy NURBS, které doopravdy fungují v CAD.
Ke kvalitě povrchů NURBS významně přispěly tři faktory:
- Vysoká kvalita polygonálního modelu z PolyWorks, který je základem povrchů NURBS.
- Schopnost určit křivky kriticky důležitých prvků při vytváření sítě křivek a omezení tvorby povrchů NURBS na tyto kritické křivky.
- Možnost použití T-spojů při vytváření sítě křivek pro zajištění logičtějšího rozložení záplat.
Výhody
Společnosti Exact Metrology trvalo dva a půl týdne (od skenování až po konečné dodání), než zachytila, upravila a naformátovala obrovské množství naskenovaných dat stíhačky Saab A-35 podle požadavků společnosti Lockheed Martin. „Na práci v rozsahu několika gigabajtů jde o velmi rychlé dodání,“ řekl Cappel. Odhaduje se, že došlo k úspoře 67 % až 80 % z hlediska doby získávání dat a 50 % z hlediska doby zpracování dat.
„Všichni zaměstnanci společnosti Lockheed, se kterými jsme spolupracovali, nám řekli, že byli naprosto nadšeni kvalitou a komplexností dat. Nedošlo k žádným zádrhelům ani restartům, které dovedou zničit harmonogramy simulace. Aplikační specialisté společnosti InnovMetric nám byli velkou oporou. Bylo to jako bychom v našem týmu měli dalšího technického zaměstnance, který nás převedl přes těžká místa.“ Matt Cappel, Manager ve společnosti Exact Metrology
Kvantifikovatelné výhody:
- Celé letadlo, každý jeden vnější povrch, bylo naskenováno a digitalizováno během dvou dnů pouhými dvěma osobami. Jakékoli jiné metody by trvaly dvakrát až čtyřikrát déle, takže při získávání dat došlo k 67 % až 80 % úspoře času.
- Pouze na software PolyWorks se dalo spolehnout z hlediska toho, že přesně zpracuje 4 gigabajty dat. V opačném případě by bylo nutné soubor rozdělit na několik částí, což by vyžadovalo další slučovací kroky a sestavení dat a zdvojnásobení, případně ztrojnásobení doby zpracování.
- Konkurenční balíčky nebyly zdaleka tak rychlé a čas byl rozhodující. Ve srovnání s méně efektivním softwarem ušetřil software PolyWorks odhadem dva týdny času.
- Výjimečná úspora nákladů z hlediska počítačové simulace namísto fyzického testování v aerodynamických tunelech.
Budoucnost
Jak společnost Lockheed Martin vysvětlila společnosti Exact Metrology, záměrem projektu Saab A-35 bylo získat lepší pochopení aerodynamiky potenciálního testovacího letounu od komerční společnosti, a to se podařilo.
Aerodynamika letounu Draken byla ve své době revoluční a je působivá i dnes, o půl století později. Letoun Draken byl navržen:
- Pro krátké vzlety a přistání na malých letištích v blízkosti bojových zón.
- Pro optimalizovanou kombinaci výkonu při vysokých a nízkých rychlostech.
- Pro výměnu zbraní mezi misemi během několika minut.
- Jako sešroubováný, aby bylo možné vyměnit jeden nebo více z jeho 4 segmentů , poslat jej do servisu nebo modernizovat.
Díky společnostem Exact Metrology a InnovMetric má nyní Lockheed Martin všechny podrobnosti o aerodynamice ve svých systémech pro simulaci letu, a to rychle a za velmi nízkou cenu.
