Generieren von Flächendaten für computergestützte
Flugsimulationen
Lockheed Martin hält die knappe Frist für das 3D-Scannen und die Punktwolkenverarbeitung eines Kampfjets aus den 1950er Jahren ein.
Im Jahr 2005 interessierte sich die Abteilung Lockheed Martin Missiles & Fire Control für die Aerodynamik eines 50 Jahre alten schwedischen Kampfjets, des Saab A-35 Draken. Die Aerodynamikexperten von LM M&FC benötigten eine sehr genaue Datenkarte des Flugzeugs, die in technische Analysetools importiert werden konnte, um die tatsächliche aerodynamische Leistung zu ermitteln.
Erforderlich waren vollständige, genaue Flächendaten des gesamten Flugzeugs sowie hochauflösende Scans der Waffen- und Geschützbuchten. Lockheed Martin wandte sich an Exact Metrology, um Scannerkapazitäten zur Erzeugung von Flächendaten zu erhalten, die in computergestützte Flugsimulationen einfließen sollten.
Die Daten wurden benötigt, um sicherzustellen, dass die Waffenträgersysteme in den Kampfgebieten des 21. Jahrhunters überleben würden. Auftragnehmer der Luft- und Raumfahrtindustrie wie Lockheed Martin suchen ständig nach Möglichkeiten, die hohen Kosten für Tests zu senken. Eine Lösung besteht darin, eine kommerzielle Aktivität anstelle einer militärischen Testeinrichtung zu nutzen – und zwar mit digitalen statt mit physischen Mitteln.
Die Herausforderung
- Erfassung der 3D-Form eines Flugzeugs in Originalgröße mit einer Länge von 50 Fuß und einer Flügelspannweite von 31 Fuß
- Schnelle Bereitstellung von NURBS-Flächen für Simulationssoftware
- Verarbeiten Sie Daten von hoch- und niedrigauflösenden Scannern
Beim Scannen und Digitalisieren gab es drei große Herausforderungen:
- Geschwindigkeit: Lockheed Martin hatte es eilig, denn das Unternehmen musste 90 Tage lang ununterbrochen Daten in Flugsimulationen verarbeiten. Die ersten Flächendaten wurden innerhalb einer Woche benötigt und Exact Metrology hat sie geliefert.
- Größe des Modells: Der Draken war ein großes Modell, das digitalisiert werden musste. Das Flugzeug ist über 50 Fuß lang, hat eine Spannweite von 31 Fuß und ein Ruder, das fast 14 Fuß hoch ist. Um die Dateigröße zu minimieren, wurden zwei Arten von Scannern verwendet: ein hochauflösender Scanner (VIVID 910 von Konica-Minolta) für sehr detaillierte Bereiche und ein niedrig auflösender (und schneller) Scanner (Cyra2500 von Leica) für flache Bereiche.
- Flexibilität: Exact Metrology benötigte eine Softwarelösung, die Daten verarbeitet, die sowohl von hochauflösenden als auch von niedrig auflösenden Scannern stammen.
Um diese Herausforderungen zu meistern, wandte sich Exact Metrology an PolyWorks®, die führende Softwarelösung zur Verarbeitung von Punktwolken von InnovMetric Software.
Die Lösung
Auswahl der richtigen Mannschaft auf dem Feld
Exact Metrology erhielt den Auftrag aufgrund seiner einzigartigen Erfahrung im Bereich des Scannens im Nah- und Fernbereich. Es war auch hilfreich, dass Exact Metrology sofort reagieren konnte.
Eine Woche vor Thanksgiving (2005) erhielt sie den Anruf von Lockheed Martin. Matt Cappel, Manager bei Exact Metrology, und ein Scannerbediener saßen drei Tage später im Flugzeug nach Los Angeles. Das Scannen war in zwei Tagen abgeschlossen, und sie waren zu Thanksgiving zu Hause. Der Scan wurde in Inyokern in der kalifornischen Mojave-Wüste durchgeführt. Sechs der verbleibenden Drakens werden überholt und dorthin geflogen.
Für das Draken-Projekt musste Exact Metrology mehrere Gigabyte an Punktwolkendaten mit sehr unterschiedlichen Auflösungen – bis zu 10.000x oder fünf Größenordnungen – schnell zu einem einzigen CAD-Modell verarbeiten. Für die hochauflösende Arbeit sammelte Exact Metrology 266 Punktwolken mit durchschnittlich 250.000 Punkten pro Teil. Es handelte sich um eine Nahaufnahme aus kurzer Distanz, bei der mit einem Minolta VIVID 910-Scanner Bilder von etwa zwei Quadratmetern erfasst wurden.
Die niedrig aufgelösten Scans wurden mit einem Cyra2500 von Leica Geosystems durchgeführt. Für diese Scans sammelten die Techniker etwa 20 Millionen Punkte. „Dies war ausreichend präzise, um selbst die kleinsten aerodynamischen Formen zu erfassen, aber nicht so hoch aufgelöst, dass unnötige Daten wie Nietenköpfe und Scharnierpunkte erfasst wurden“, so Cappel. „Die Arbeit mit niedriger Auflösung war für uns eher eine Vermessungsanwendung.“
Nach dem Scannen und Digitalisieren von etwa 250 hoch- und niedrigauflösenden Scans mit einer Gesamtdatenmenge von 4,6 Gigabyte lieferte Exact Metrology Lockheed Martin eine relativ kleine, unkomprimierte Datei von 200 Megabyte (MB).
Scan-Ausrichtung
Das PolyWorks|IMAlign™-Modul wurde verwendet, um die 260 Scans zu einem einzigen Modell auszurichten. Die PolyWorks-Ausrichtungstechnik erfordert keine Zielmarken oder Markierungen auf dem Teil. Stattdessen nutzt es die geometrische Form der Scans selbst, um sie aneinander auszurichten. „Der Verzicht auf die Verwendung von Zielobjekten im Flugzeug hat den Scanprozess erheblich verbessert“, erklärt Cappel.
Polygonmodell
Nach der Ausrichtung der Scans wurde das resultierende Punktwolkenmodell mit dem Modul PolyWorks|IMMerge™ in ein polygonales Modell im STL-Format (Stereolithography Tessellation Language) umgewandelt. PolyWorks erstellt ein polygonales Netz (Dreiecke), das an die Oberflächenkrümmung angepasst ist, wobei eine hohe Auflösung an Kanten und Verrundungen erhalten bleibt, während in flachen Bereichen größere Dreiecke erzeugt werden. Einige Simulationssoftwarepakete können STL-Dateien verarbeiten, das von Lockheed Martin M&FC verwendete System unterstützte sie jedoch nicht. Es wurde eine CAD-geeignete Datei benötigt.
Aufbau eines Kurvennetzes
Um ein CAD-geeignetes Modell zu erstellen, berechnet PolyWorks eine mathematische Darstellung der Flächen, die NURBS (non-uniform rational B-splines) genannt wird, auf dem Polygonmodell. Vor der Berechnung der NURBS-Flächen wird ein Kurvennetz auf dem Polygonmodell aufgebaut, um zu bestimmen, wo die Flächen eingepasst werden sollen. PolyWorks bietet sowohl automatische als auch manuelle Werkzeuge zur Erstellung des Kurvennetzes. Feature-Kurven können mit einem Mausklick durch die Extraktionsalgorithmen von PolyWorks extrahiert werden. Und das Kurvennetz kann manuell mit Techniken verfeinert werden, die nur ein paar Klicks des Benutzers erfordern.
NURBS-Flächen
Die NURBS-Flächen wurden dann automatisch an das Kurvennetz angepasst. Diese Flächen wurden als IGES- oder STEP-Dateien in das Analysesystem von Lockheed Martin exportiert. Die endgültigen Ergebnisse entsprachen den Anforderungen von Lockheed Martin in Bezug auf Genauigkeit, Dateigröße und Anzahl der Patches.
PolyWorks erzeugt NURBS-Flächen, die in CAD wirklich funktionieren.
Drei Faktoren haben wesentlich zur Qualität der NURBS-Flächen beigetragen:
- Die hohe Qualität des PolyWorks-Polygonmodells, das den NURBS-Flächen zugrunde liegt.
- Die Möglichkeit, kritische Feature-Kurven zu bestimmen, während das Kurvennetz konstruiert wird, und die Erstellung der NURBS-Fläche auf diese kritischen Kurven zu beschränken.
- Die Möglichkeit, bei der Erstellung des Kurvennetzes T-Abzweigungen zu verwenden, was ein logischeres Patch-Layout gewährleistet.
Die Vorteile
Vom Scannen bis zur endgültigen Lieferung benötigte Exact Metrology zweieinhalb Wochen, um die riesige Menge an gescannten Saab A-35-Daten zu erfassen, zu bearbeiten und gemäß den Anforderungen von Lockheed Martin zu formatieren. „Für einen Auftrag im Bereich von mehreren Gigabyte ist dies eine sehr schnelle Lösung“, so Cappel. Es wird geschätzt, dass die Zeit für die Datenerfassung um 67 % bis 80 % und die Zeit für die Datenverarbeitung um 50 % reduziert werden konnte.
„Alle Lockheed-Mitarbeiter, mit denen wir zusammengearbeitet haben, sagten uns, dass sie von der Qualität und dem Umfang der Daten absolut begeistert waren. Es gab keine Pannen und keine Neustarts, die Simulationszeitpläne zerstören können. Die Anwendungsspezialisten von InnovMetric waren eine große Hilfe für uns. Sie waren wie ein zusätzlicher technischer Angestellter in unserem Team, der uns über die Schwierigkeiten hinweghalf.“ Matt Cappel, Manager bei Exact Metrology.
Quantifizierbare Vorteile:
- Das gesamte Flugzeug, jede Außenfläche, wurde in zwei Tagen von nur zwei Personen gescannt und digitalisiert. Andere Methoden hätten zwei- bis viermal so lange gedauert, so dass die Datenerfassungszeit um 67 % bis 80 % gesenkt werden konnte.
- Nur PolyWorks war in der Lage, 4 Gigabyte an Daten präzise zu verarbeiten. Andernfalls müsste die Datei in mehrere Teile aufgeteilt werden, was zusätzliche Zusammenführungsschritte und eine Datenzusammenstellung erfordert, wodurch sich die Verarbeitungszeit verdoppelt und möglicherweise verdreifacht.
- Die konkurrierenden Pakete waren bei weitem nicht so schnell, und die Zeit war von entscheidender Bedeutung. PolyWorks sparte schätzungsweise zwei Wochen gegenüber einer weniger effizienten Software.
- Drastische Kosteneinsparungen durch computergestützte Simulationen anstelle physischer Tests in Windkanälen.
Die Zukunft
Wie Lockheed Martin gegenüber Exact Metrology erläuterte, bestand das Ziel des Saab A-35-Projekts darin, ein besseres Verständnis für die Aerodynamik eines potenziellen Testflugzeugs eines kommerziellen Unternehmens zu erlangen, und das wurde erreicht.
Die Aerodynamik des Draken war für seine Zeit revolutionär und ist auch heute, ein halbes Jahrhundert später, noch beeindruckend. Der Draken wurde entworfen:
- Für kurze Starts und Landungen auf kleinen Flugplätzen in der Nähe von Kampfgebieten.
- Für eine optimale Kombination aus Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsleistung.
- Zwischen den Einsätzen in Minutenschnelle aufgerüstet werden.
- Sie müssen zusammengeschraubt werden, damit die vier Segmente des Flugzeugs ausgetauscht, zur Wartung verschickt oder aufgerüstet werden können.
Dank Exact Metrology und InnovMetric verfügt Lockheed Martin nun über alle aerodynamischen Details in seinen Flugsimulationssystemen – schnell und zu sehr geringen Kosten.
