Migliorare l'efficienza del carburante con l'ingegneria point-cloud
Aerodynamic Trailer Systems utilizza la soluzione software PolyWorks® per supportare la digitalizzazione di un profilo impegnativo e per eseguire analisi CFD e test in galleria del vento sulle boat-tail pneumatiche degli autocarri.
Aerodynamic Trailer Systems Ltd. (ATS), Auburn, Ohio ha sviluppato un nuovo prodotto che si adatta ai portelloni degli autoarticolati commerciali per conferire un profilo più aerodinamico alla parte posteriore del rimorchio. L'oggetto è una "Tecnologia Verde" per ridurre le emissioni migliorando l'efficienza del carburante degli autocarri destinati alle lunghe percorrenze. Il prodotto, la cosiddetta boat-tail, è un dispositivo che riduce la resistenza aerodinamica causata dal flusso d'aria casuale e turbolento che si verifica intorno alla parte posteriore di un rimorchio commerciale. Questo componente modifica efficacemente la superficie piana dei portelloni posteriori in un profilo curvilineo.
La sfida
Il design sviluppato da Aerodynamic Trailer Systems, è una boat-tail pneumatica costruita con un materiale polimerico flessibile ad alta resistenza che si gonfia e si sgonfia automaticamente per mezzo di un compressore e di un sistema di valvole a velocità autostradali preimpostate. La posizione sgonfiata supera una sfida progettuale, e consente di aprire completamente i portelloni posteriori per caricare la merce.
"La boat-tail pneumatica è un profilo curvilineo unico molto difficile da predeterminare su disegni ingegneristici o su misura, il che ne rende difficile la modellazione", spiega Jim Domo, CEO di Aerodynamic Trailer Systems. "Quello che volevamo era misurare il profilo aerodinamico del dispositivo. Dal momento che un rimorchio per autocarri è troppo grande per entrare in una galleria del vento, abbiamo dovuto creare un modello in scala che ne descrivesse l'esatta forma fisica. Allo stesso tempo, avevamo bisogno di una versione digitale della boat-tail, per poter eseguire un'analisi fluidodinamica computerizzata (CFD) basata su software".
La soluzione
Aerodynamic Trailer Systems ha contattato 3D Scan IT, Inc. per discutere le alternative alle tradizionali tecniche di raccolta dati. 3D Scan IT è un'azienda di metrologia che integra PolyWorks in Nordamerica. La sede centrale si trova a Royal Oak, in Michigan. I tecnici di 3D Scan IT hanno consigliato uno scanner ad alta densità senza contatto come approccio per la raccolta dei dati, e hanno introdotto uno scanner Imetric IScan a luce bianca nello stabilimento.
“Per prima cosa abbiamo utilizzato la fotogrammetria per impostare i punti di navigazione sulla superficie della boat-tail, dopodiché abbiamo eseguito una scansione completa utilizzando il sistema di scansione Imetric a luce bianca. Sono servite circa due ore per la calibrazione dello scanner, il puntamento del pezzo e l'esecuzione della fotogrammetria. Il processo di scansione ha richiesto circa tre ore", spiega Bob Squier, presidente di 3D Scan IT.
La gestione dei dati di nuvole di punti fornisce risultati rapidi
I dati sono stati acquisiti utilizzando la suite di programmi PolyWorks di InnovMetric. In totale sono state effettuate 62 scansioni, che sono state registrate nel sistema di coordinate della fotogrammetria. Nel modulo PolyWorks IMAlign™ è stato eseguito un allineamento best-fit delle scansioni con controllo delle tolleranze. Le scansioni allineate sono state successivamente elaborate usando il modulo PolyWorks IMMerge™ per creare una mesh poligonale che ha rimosso tutti i dati di scansione sovrapposti, la texture del tessuto, riducendo così anche le dimensioni del file.
Il modello poligonale è stato quindi portato nel modulo PolyWorks IMEdit™ per rimuovere i target fotogrammetrici. È stato creato un modello poligonale a tenuta stagna utilizzando la funzionalità di riempimento dei fori basata sulla curvatura di IMEdit.
Scansione della boat-tail
Test in galleria del vento
ATS ha voluto testare le prestazioni della boat-tail in galleria del vento. "L'obiettivo era creare un file che potesse essere utilizzato in un processo di prototipazione rapida per creare velocemente un modello in scala 1/8 della boat-tail che sarebbe stato utilizzato per i test delle prestazioni in galleria del vento", spiega Patrick Ryan, Presidente di ATS.
Prototipo creato dal modello PolyWorks STL.
Per eseguire la simulazione, il modello poligonale è stato inviato all'Auto Research Center di Indianapolis, in Indiana. Questo impianto di collaudo in galleria del vento, progettato principalmente per il collaudo di auto da corsa, è un progetto di strada con getto aperto che riproduce accuratamente le condizioni dell'autostrada. Per creare un modello in scala della boat-tail, lo specialista del centro collaudi Auto Research Center ha utilizzato una macchina per la prototipazione rapida Stratasys FDM 8000 e il modello poligonale stagno creato da 3D Scan IT, Inc. per realizzare il pezzo in plastica ABS resistente in strati ultrasottili.
"Avevamo previsto di utilizzare i dati dei test in galleria del vento per apportare eventuali modifiche dell'ultimo minuto al progetto del dispositivo prima di metterlo in produzione; quindi era fondamentale per il nostro programma che il modello fosse il più accurato possibile", spiega Ryan.
Processo di creazione delle NURBS.
Analisi CFD
Oltre ai test in galleria del vento, ATS ha voluto eseguire un'analisi CFD. Per eseguire questa analisi, 3D Scan IT ha preparato un modello con superfici (modello NURBS) usando il modulo PolyWorks IMEdit™.
Innanzitutto, è stata creata una rete di curve utilizzando le funzionalità di estrazione e modifica delle curve di IMEdit. Le procedure automatiche di creazione delle superfici NURBS generano le superfici man mano che le curve vengono completate. È stato utilizzato il modulo PolyWorks IMInspect™ per allineare il modello al sistema di coordinate globale dei portelloni del rimorchio, dal momento che la boat-tail doveva adattarsi esattamente all'area dei portelloni senza ostruire i cardini.
Il modello NURBS ottimizzato è stato inviato a degli specialisti della NASA per eseguire l'analisi CFD. Questo software ha fornito una rapida panoramica delle prestazioni aerodinamiche della boat-tail pneumatica in varie condizioni.
Anche il modello NURBS è stato esportato nella suite di programmi SolidWorks® di ATS, che potrà utilizzarlo per future modifiche e per la produzione.
Vantaggi
Secondo Domo e Ryan, il modello in scala 1/8 della boat-tail creato dai processi di scansione laser e di gestione dei dati delle nuvole di punti era dimensionalmente preciso e a grandezza naturale, praticamente una replica esatta. "Eravamo fiduciosi che una volta condotti i test in galleria del vento avremmo ottenuto risultati significativi che si sarebbero applicati direttamente al dispositivo a grandezza naturale", spiega Ryan.
Il consumo di carburante si è ridotto fino al 5%
I risultati dei test hanno indicato che la boat-tail potrebbe ridurre il consumo di carburante fino al 5%. "Questo si traduce in minori emissioni e nella riduzione dei costi del carburante grazie al miglioramento della resistenza aerodinamica del rimorchio, che diminuisce il carico effettivo che la motrice deve tirare, migliorando così l'efficienza", spiega Domo. "Inoltre, crediamo che con alcune piccole modifiche alla forma del dispositivo, saremo in grado di migliorare ulteriormente il nostro profilo." Ha aggiunto, inoltre, che l'uso della tecnologia di scansione e della gestione dei dati di nuvole di punti ha ridotto notevolmente i tempi di creazione del modello. "Siamo riusciti ad arrivare a un modello preciso in pochi giorni", ha detto.
Bob Squier di 3D Scan IT, Inc. ha spiegato che questa applicazione è unica nel suo genere in quanto l'intero processo di progettazione e produzione si basa sulla scansione e sul perfezionamento dei dati delle nuvole di punti, oltre alla prototipazione rapida. “Un approccio tradizionale alla progettazione e allo sviluppo del prodotto non avrebbe raggiunto i risultati che l'azienda cercava.
