Audi, BMW, DaimlerChrysler en Renault

Een revolutie in de wereld van vloeistofdynamica-analyse

Audi, BMW, DaimlerChrysler en Renault wenden zich tot PolyWorks® om de tijd voor CFD-analyses met tot wel 83% te verkorten.

Grote autofabrikanten hebben de polygonale modelleertechnologie van PolyWorks gebruikt om grote kostenbesparingen te realiseren voor hun vloeistofdynamica-analyses. Ontdek hoe de unieke tools die PolyWorks biedt Audi, BMW, DaimlerChrysler en Renault in staat hebben gesteld om de tijd die nodig is om een CFD-gereed polygonaal model te maken terug te brengen van zeven dagen naar één dag.

Vloeistofstroomanalyse is het onderzoek van hoe vloeistoffen, zoals lucht, vloeistoffen en gassen, bewegen in en rond vaste objecten, zoals vliegtuigvleugels, autocarrosserieën of aardoliepijpleidingen. De meeste grote autofabrikanten over de hele wereld hebben te maken met problemen met vloeistofstromingen bij hun ontwerpwerkzaamheden, zoals luchtstroming over auto-oppervlakken waarbij de opwaartse druk, weerstand, draaiing en wrijving worden gemeten. Traditionele vloeistofdynamica-analyses worden meestal uitgevoerd door middel van windtunneltests, een dure en tijdrovende operatie waarvoor goed opgeleide technici nodig zijn.

De opkomst van 3D-digitaliseringstechnologie heeft een revolutie teweeggebracht in de manier waarop vloeistofstromingen worden geanalyseerd door de deur te openen naar 'digitale windtunneltests'. De miljoenen gegevenspunten die door de contactloze 3D-digitizers worden vastgelegd, vormen een uitstekende informatiebron voor het digitaal simuleren van vloeistofstroming en het nabootsen van typische analyses van windtunneltests tegen een fractie van de gebruikelijke kosten en tijd.

De uitdaging

Om krachtige digitale windtunnelanalyses uit te voeren, heeft CFD-software zoals PowerFlow^® van Exa polygonale modellen nodig die voldoen aan strenge eisen op het gebied van nauwkeurigheid, topologie, grootte, enz. Nog niet zo lang geleden waren er verschillende stappen nodig om het model voor te bereiden voor CFD-analyse, wat wel zeven dagen werk kon kosten. Eerst moest de gedigitaliseerde puntenwolk getransformeerd worden naar NURBS-oppervlakken met behulp van een softwaresysteem voor reverse engineering. De resulterende oppervlakken werden in CAD-software geladen en er werden verschillende bewerkingen uitgevoerd, zoals het opnieuw construeren van kenmerken en het verwijderen van onnodige details. Het CAD-model moest vervolgens met een ander softwarepakket van vlakvullingen worden voorzien om opnieuw een meshed model te maken. Meestal zijn er voor dit polygonale model met vlakvulling andere wijzigingen nodig om te voldoen aan de doelstelling van 100.000 driehoeken die vereist is voor CFD-analyse.

"PolyWorks biedt een ongecompliceerde aanpak die de voorbereiding en optimalisatie van polygonale modellen voor CFD-analyse drastisch heeft veranderd", aldus Dr. Hans-Peter Duwe van Duwe-3d in Duitsland. "PolyWorks biedt een uitgebreide set tools voor het bewerken van polygonen waarmee we kenmerkcurven kunnen reconstrueren, te gedetailleerde kenmerken kunnen verwijderen en gesloten polygonale modellen kunnen maken die direct in PowerFlow van Exa gebruikt kunnen worden. Alle bewerkingen kunnen binnen één softwareoplossing worden uitgevoerd, wat de tijd en kosten van de analyse van de vloeistofstroming aanzienlijk vermindert", vervolgt hij.

De oplossing

De complete toolkit van PolyWorks voor het optimaliseren van het polygonale model van een auto

1. Het polygonale model maken 

• Auto-ontwerpers maken een fysiek model met klei of een ander soortgelijk materiaal; de grootte van het prototype van de auto kan variëren van ware grootte tot reproducties op schaal 1/2, 1/4, 1/10
• Het kleimodel is volledig gedigitaliseerd met een 3D-digitizer
• De meerdere scans worden vervolgens uitgelijnd door fotogrammetrie (voor een model op ware grootte) of met de unieke best-fit-methode van PolyWorks die de scans snel uitlijnt aan de hand van de geometrische kenmerken van het object (voor kleinere objecten)
• De uitgelijnde puntenwolk wordt gemeshed in PolyWorks en er wordt een zeer nauwkeurig polygonaal model gemaakt met tussen de 500.000 en 1.000.000 driehoeken en een tolerantie van 10 tot 30 micron

2. Het polygonale model bewerken

A) Kenmerkencurven reconstrueren

Een van de belangrijkste factoren die de luchtstroom van een model beïnvloedt, is de kwaliteit van de kenmerkcurven. Aangezien 3D-digitizers geen scherpe randen met grote nauwkeurigheid kunnen vastleggen, moeten er bewerkingen worden uitgevoerd voor de reconstructie. PolyWorks biedt een krachtig hulpmiddel dat kenmerkcurven en theoretische scherpe randen detecteert en volgt. Nadat de scherpe hoekcurven zijn geëxtraheerd, kunnen ze worden verlengd en doorsneden om hoeken te maken.

B) Een compacte en waterdichte veelhoekige mesh produceren

Hier volgen de stappen om een compact en waterdicht model te maken:

• Opvullen van gaten die tijdens de digitaliseringsfase zijn ontstaan:
• PolyWorks biedt verschillende tools voor het vullen van gaten om het oppervlak van een polygonaal model te sluiten. Voor gaten van kleine en gemiddelde complexiteit kunnen gebruikers vertrouwen op een automatische methode voor het vullen van gaten die vloeiend gebogen sets van driehoeken interpoleert binnen een door de gebruiker gedefinieerde 3D-overbruggingsafstand
• Voor grotere en complexere gaten kunnen gebruikers samengestelde Bézier-oppervlakken of NURBS-oppervlakken maken bovenop het polygonale model en driehoeksoppervlakken invoegen die de kromming van het object volgen

• Onnodige kenmerken van het model verwijderen:
• Het doel van deze bewerking is om het aantal driehoeken zo laag mogelijk te houden. CFD-software zoals PowerFlow van Exa is geoptimaliseerd om polygonale modellen tot 100.000 driehoeken te verwerken. Om het aantal driehoeken te verminderen, kunnen gebruikers onnodige driehoeken verwijderen op zeer gedetailleerde delen van het model, zoals groeven, luchtvallen, enz.
• De gebruiker kan dan samengestelde Bézier-oppervlakken of NURBS-oppervlakken gebruiken om polygonen in deze gebieden te reconstrueren

C) CAD-oppervlakken invoegen

• Onderdelen van een bestaand CAD-model kunnen worden ingevoegd om elementen op te vullen, zoals de onderzijde van de carrosserie, wielen, voorruit, ramen en verlichting
• Bézier-oppervlakken en NURBS-oppervlakken kunnen worden gebruikt om de gebieden op te vullen waarvoor geen CAD beschikbaar is

3. Het aantal driehoeken verminderen en de driehoekoriëntatie optimaliseren 

De adaptieve meshing-technologie van PolyWorks maakt het mogelijk om 'intelligente' polygonale modellen te maken, waarbij een hoge resolutie over randen en overgangen behouden blijft, terwijl grotere driehoeken in vlakke gebieden gemaakt worden. Om aan de strenge eisen van PowerFlow van Exa te voldoen, moet een polygonaal model:

• Ongeveer 100.000 driehoeken bevatten
• Geen driehoeken bevatten met slechte beeldverhoudingen (hoogte/basis)
• Driehoeken hebben waarvan de oriëntatie de kromming van het object volgt

PolyWorks biedt geavanceerde technieken om een model voor te bereiden dat aan deze vereisten voldoet. Gebruikers kunnen:

• De reductieparameter instellen als een doelaantal driehoeken
• Een maximale randlengte gebruiken om te voorkomen dat u grote driehoeken maakt met slechte beeldverhoudingen
• De hoek voor randdetectie specificeren om kenmerklijnen te behouden
• Een mesh-optimalisatiealgoritme oproepen dat de driehoeksranden uitlijnt langs de stroming van de kromming