Brandstofefficiëntie verbeteren met Point Cloud Engineering
Aerodynamic Trailer Systems gebruikt de softwareoplossing PolyWorks® om een uitdagende vorm te digitaliseren en CFD-analyses en windtunneltests uit te voeren op zijn opblaasbare boattails voor trucks.
Aerodynamic Trailer Systems Ltd.(ATS), Auburn, Ohio heeft een nieuw product ontwikkeld dat op deuren van commerciële trailers past om de achterkant van de trailer een meer aerodynamische vorm te geven. Het doel is een 'groene technologie' om de uitstoot te verminderen door de brandstofefficiëntie van vrachtwagens die over de weg rijden te verbeteren. Het product, een boattail, is een aerodynamisch apparaat dat de luchtweerstand vermindert die wordt veroorzaakt door lucht die op een willekeurige, turbulente manier rond de achterkant van een commerciële trailer stroomt. Dit verandert het vlakke oppervlak van de achterdeuren in een gebogen vorm.
De uitdaging
Het ontwerp van de boattail, ontwikkeld door Aerodynamic Trailer Systems, is een opblaasbare boattail gemaakt van een flexibel polymeermateriaal voor zwaar gebruik dat automatisch opblaast en leegloopt door middel van een blaas- en kleppensysteem bij vooraf ingestelde snelheden op de snelweg. In leeggelopen stand wordt een ontwerpuitdaging overwonnen, doordat de achterdeuren volledig geopend kunnen worden voor het laden van vracht.
"De opgeblazen boattail is een unieke gebogen vorm die zeer moeilijk vooraf te bepalen is op technische tekeningen of te meten is, waardoor het moeilijk is om te modelleren", zegt Jim Domo, Chief Executive Officer van Aerodynamic Trailer Systems. "We wilden het aerodynamische profiel van het apparaat meten. Aangezien de oplegger van een vrachtwagen te groot is om in een windtunnel te passen, moesten we een schaalmodel maken dat de exacte fysieke vorm zou beschrijven. Tegelijkertijd hadden we een digitale versie van de boattail nodig om een softwarematige computergestuurde vloeistofdynamische (CFD-) analyse uit te voeren."
De oplossing
Aerodynamic Trailer Systems nam contact op met 3D Scan IT, Inc. om alternatieven voor traditionele technieken voor gegevensverzameling te bespreken. 3D Scan IT is een meetbedrijf en Noord-Amerikaanse integrator van PolyWorks. Het hoofdkantoor is gevestigd in Royal Oak, Michigan, VS. Technici van 3D Scan IT raadden een contactloze hogedichtheidsscanner aan voor het verzamelen van gegevens en brachten een Imetric IScan witlichtscanner naar de vestiging van het bedrijf.
"We gebruikten eerst fotogrammetrie om navigatiepunten op het oppervlak van de boattail in te stellen, en vervolgens voerden we een volledige scan uit met het witlichtscansysteem van Imetric. Het opstellen en de fotogrammetrie namen ongeveer twee uur in beslag, inclusief het kalibreren van de scanner, het richten van het onderdeel en het uitvoeren van de fotogrammetrie. Het scanproces duurde ongeveer drie uur", aldus Bob Squier, president van 3D Scan IT.
Beheer van puntenwolkgegevens levert snelle resultaten
De gegevens werden verkregen met de PolyWorks-softwaresuite van InnovMetric. In totaal werden 62 scans gemaakt en geregistreerd in het coördinatensysteem van de fotogrammetrie. Er werd een tolerantiegecontroleerde best-fit-uitlijning van de scans uitgevoerd in de PolyWorks|IMAlign™-module. De uitgelijnde scans werden vervolgens verwerkt met de PolyWorks|MMerge™-module om een polygonale mesh te maken die alle overlappende scangegevens verwijderde waarbij tegelijkertijd de stoftextuur werd verwijderd en de bestandsgrootte verkleind.
Het polygonale model werd vervolgens naar de PolyWorks|IMEdit™-module gebracht om fotogrammetrische doelen te verwijderen. Er werd een waterdicht polygonaal model gemaakt met behulp van de IMEdit-functionaliteit voor het opvullen van gaten op basis van kromming.
Scannen van de boattail
Windtunneltesten
ATS wilde de prestaties van de boattail in een windtunnel testen. "Het doel was om een bestand te maken dat we konden gebruiken in een snel prototypingproces om snel een 1/8 schaalmodel van het boattail-apparaat te maken dat gebruikt zou worden voor prestatietests in een windtunnel", zei Patrick Ryan, president van ATS.
Prototype gemaakt van PolyWorks STL-model.
Om de simulatie uit te voeren, werd het polygonale model naar het Auto Research Center in Indianapolis, Indiana gestuurd. Deze windtunnel-testfaciliteit, die voornamelijk ontworpen is voor het testen van raceauto's, is een open-jet, rollend wegontwerp dat de omstandigheden op de snelweg nauwkeurig nabootst. Om een schaalmodel van de boattail te maken, gebruikte de specialist van het Auto Research Center een Stratasys FDM 8000 rapid prototyping machine en het waterdichte polygonale model gemaakt door 3D Scan IT, Inc. om het onderdeel in ultradunne lagen te bouwen van sterk ABS plastic.
"We waren van plan om die gegevens van de windtunneltest te gebruiken om op het laatste moment nog wijzigingen in het ontwerp van het apparaat aan te brengen voordat we het apparaat in productie zouden nemen, dus het was van cruciaal belang voor ons programma dat het model zo nauwkeurig mogelijk zou zijn"aldus Ryan.
NURBS-creatieproces.
CFD-analyse
Naast de windtunneltests wilde ATS ook een CFD-analyse uitvoeren. Om deze analyse uit te voeren, maakte 3D Scan IT een oppervlaktemodel (NURBS-model) met behulp van de PolyWorks|IMEdit-module.
Eerst werd er een curvennetwerk gemaakt met behulp van de functies voor curve-extractie en bewerking van IMEdit. Automatische NURBS-procedures voor het passend maken van oppervlakken creëren de oppervlakken naarmate de curven voltooid worden. De PolyWorks|IMInspect™-module werd gebruikt om het model uit te lijnen met het globale coördinatensysteem van de trailerdeuren, aangezien de boattail precies in het deurgebied moest passen zonder de scharnieren te hinderen.
Het geoptimaliseerde NURBS-model werd naar specialisten van NASA gestuurd om CFD-analyses uit te voeren. Deze software gaf een snel overzicht van de aerodynamische prestaties van de opblaasbare boattail onder verschillende omstandigheden.
Het NURBS-model werd ook geëxporteerd naar de SolidWorks®softwaresuite van ATS voor gebruik bij toekomstige aanpassingen en voor productiedoeleinden.
De voordelen
Volgens Mr. Domo en Mr. Ryan was het 1/8 schaalmodel van de boattail, dat werd gecreëerd door het laserscannen en het beheerproces van puntenwolkgegevens, een dimensionaal nauwkeurig model van het apparaat op ware grootte, vrijwel een exacte replica."We hadden er vertrouwen in dat wanneer we windtunneltests zouden uitvoeren, we zinvolle resultaten zouden krijgen die direct van toepassing zouden zijn op het apparaat op ware grootte", zei Ryan.
Het brandstofverbruik is met tot wel 5% gedaald
Testresultaten gaven aan dat de boattail het brandstofverbruik met wel 5% kon verminderen. "Dat vertaalt zich in minder uitstoot en lagere brandstofkosten door de verbeterde aerodynamische weerstand op de trailer, waardoor de effectieve belasting die de trekker moet trekken afneemt en de efficiëntie dus verbetert", aldus Domo. "Bovendien denken we dat we met wat kleine vormaanpassingen aan het apparaat ons profiel nog verder kunnen verbeteren." Hij voegde eraan toe dat het gebruik van scantechnologie en puntenwolkgegevensbeheer de tijd om het model te maken met ordes van grootte verkortte. "We waren in staat om in slechts enkele dagen tot een nauwkeurig model te komen", zei hij.
Bob Squier van 3D Scan IT, Inc. zei dat deze toepassing uniek was omdat het hele ontwerp- en fabricageproces afhankelijk was van scannen en het verfijnen van puntenwolkgegevens, plus rapid prototyping. "Een traditionele benadering van productontwerp en -ontwikkeling zou eenvoudigweg niet de resultaten hebben opgeleverd waar het bedrijf naar op zoek was."
