Audi, BMW, Daimler Chrysler and Renault

流体力学解析の世界的革命 

アウディ、BMW、ダイムラークライスラー、ルノー各社は、PolyWorks^®を使い始めた事により、 CFD解析にかかる時間を最大 83%まで削減しました。
 

アウディ、BMW、ダイムラークライスラー、ルノーといった主要な自動車メーカー各社はPolyWorksのポリゴンモデル技術を使い始めた事により、流体力学解析の大幅なコスト削減を実現させました。またPolyWorks独自の機能により、CFD解析用ポリゴンモデルの準備にかかる時間も7日から1日に削減する事が出来ました。

流体解析とは、空気や液体やガスの様な流体が、どのように航空機翼や車体また石油パイプラインの様な固体オブジェクトの中や周囲を動くのかを調査するものです。世界中のほとんどの主要な自動車メーカーは、その設計作業において、揚力、抵抗、偏揺れ、摩擦を測定時の自動車表面上のエアフローといった流体の流れの課題に向き合わなければなりません。そして通常、従来の流体力学解析は、費用も時間もかかる上に熟練の技術者が必要となる風洞テストを使って実施されています。 

3Ｄ計測技術の出現は「デジタル風洞テスト」を可能にしたことで、流体解析の方法に革命を起こしました。非接触3Ｄデジタイザーにより取得された何百万ものデータ点は、通常よりもずっとわずかな費用と時間で、コンピュータでシミュレーションされた流体の流れと標準的な風洞テスト解析再現といった優れた情報を表示してくれます。 

課題

効果的なデジタル風洞解析を実行する為に、Exaの Power- Flow®の様なCFDソフトウエア は、精度、トポロジー、サイズ等に関して、厳しい必須要件に合うポリゴンモデルを必要とします。以前は、CFD解析用のモデルを準備するにはいくつかの段階が必要で、それには7日間もの日数がかかりました。最初にデジタル化された点群を、リバースエンジニアリングソフトウエアを使用してNURBSサーフェスに変え、その結果出来たサーフェスをCADソフトウエアに取り込み、特徴形状の再現や不要な詳細形状の除去などいくつかの編集作業を行います。その後、そのCADモデルは別のソフトウエアパッケージを使ってテッセレートされ、ポリゴンモデルが再作成されていました。そして大抵の場合、このポリゴンモデルはCFD解析で要求される100,000の三角形数の目標値に合うようにするための編集を必要としていました。 

ドイツのDuwe-3d社のHans-Peter Duwe 氏は「PolyWorksは操作が簡単なので、CFD解析用ポリゴンモデルの準備と最適化作業が劇的に変わりました。」と話します。「PolyWorksは、特徴ラインを再現したり、細かすぎる特徴形状を除去したり、ExaのPowerFlow内で直接使用できる閉じられたポリゴンモデルを作成出来る、幅広いポリゴン編集機能を備えています。その為、全ての作業が1つのソフトウエアソリューションの中で実施出来、これにより流体解析にかかる時間と費用を著しく削減する事が出来ました。」

解決策

PolyWorksは、自動車のポリゴンモデルを最適化するのに完全なツールキットです。 

1. ポリゴンモデルの作成  

• 自動車設計者は、クレイやまたそれに類似した複合材料を使って物理モデルを作成します；自動車試作品のサイズはフルサイズのものから1/2、1/4、1/10サイズのものまで様々です。 

• クレイモデルは3Ｄデジタイザーを使用し、完全にデジタイズされます。  

• その後、その多数のスキャンは、写真測量法（フルサイズモデル向け）や、オブジェクトの特徴形状を利用して素早くスキャンを位置合わせするPolyWorks独自のベストフィット位置合わせ（より小さなオブジェクト向け）を使用して位置合わせされます。

• 位置合わせされた点群はPolyWorksでメッシュ化され、500,000から1,000,000の三角からなり、許容値範囲10～30ミクロンの大変正確なポリゴンモデルが作成されます。  

2. CFD向けにポリゴンモデルを編集する 

A) 特徴ラインを再現する

モデルのエアフローに影響を与える最も重要な要素の1つがその特徴ラインの品質です。3Ｄデジタイザーでは、シャープなエッジ部分を正確に取得する事が出来ないので、再現の為には編集作業が必要になってきます。PolyWorksには、特徴ラインを検出してトラッキングし、理論上のシャープなエッジを自動生成する強力なツールがあります。シャープなエッジカーブが抽出されると、それらを延長して交差させ、コーナーを作成する事が出来ます。  

B) コンパクトで隙間の無いポリゴンメッシュを作成する 

以下がコンパクトで隙間の無いモデルの作成手順です：

• デジタイズ段階で穴埋めをする:

- PolyWorksには、ポリゴンモデルの面を埋める為の様々な穴埋め機能があります。複雑度が低～中度の穴には、ユーザーが定義した寸法内のサイズの穴を滑らかに自動で穴埋めする機能が使えます。 

- より複雑な穴には、ポリゴンモデルの上に複合のBézierサーフェスまたは NURBSサーフェスを作成し、オブジェクトの曲率に合う三角メッシュを挿入する事が出来ます。

• モデルの不要な形状を削除する:

- この作業は、三角形の数を可能な限り少なく抑える為に行います。（Exa PowerFlowの様なCFDソフトウエアは最大100,000三角形までのポリゴンモデルの処理向けに最適化されています。);三角形の数を減らす為に、ユーザーはモデルの溝や空気トラップ等の様な非常に細かい部分の不必要な三角形を取り除く事が出来ます。 

- ユーザーはその後、複合のBézierサーフェスやNURBSサーフェスを使い、これらのエリアでポリゴンを再現する事が出来ます。       

C) CADサーフェスの挿入

• 既存のCADモデルの部品を差し込み、シャシ、ハンドル、フロントガラス、ウィンドウ、ライトの様なエレメントを埋めることが出来ます。 

• Bézier サーフェスやNURBS サーフェスを使えば、CADのないエリアを埋めることも出来ます。

3. 三角形の数を減らし、三角形の向きを最適化する

PolyWorksの適応可能なメッシュテクノロジーは、平面エリアでより大きな三角形を作成する一方でエッジやフィレットまで高解像度を保つ‘インテリジェント’なポリゴンモデルの作成を可能にします。Exa PowerFlowの厳しい必須要件に合わせる為、ポリゴンモデルは以下の要件に合っていなければなりません:  

• 約100,000三角形を含む。 
• 不適切なアスペクト比の三角形は含まない（高さ／底辺）。 
• オブジェクトの曲率に合う方向の三角形を持つ。  

PolyWorksが提供する高度な技術により、ユーザーは以下を実施して、これらの要件に合うモデルを準備出来ます:

• 三角形の目標数通りに削減パラメータを設定する。  
• 不適切なアスペクト比の大きな三角形の作成を防ぐ為、最大エッジ長さを使用する。  
• 特徴ラインを維持する為、エッジ検出角度を規定する。 
• 曲率の方向に合わせて三角形の辺の向きを合わせるメッシュ最適化アルゴリズムを起動する。