Poprawa wydajności paliwa dzięki inżynierii chmury punktów
Aerodynamic Trailer Systems wykorzystuje oprogramowanie PolyWorks® do cyfryzacji skomplikowanego kształtu i przeprowadzenia analizy CFD oraz testów w tunelu aerodynamicznym na nadmuchiwanym ogonie ciężarówek.
Aerodynamic Trailer Systems Ltd. (ATS), Auburn, Ohio opracowała nowy produkt, który pasuje do drzwi naczep dostępnych w handlu, aby zapewnić bardziej aerodynamiczny kształt tyłu naczepy. Celem jest „Zielona Technologia” mająca na celu zmniejszenie emisji zanieczyszczeń poprzez poprawę spalania samochodów ciężarowych na drogach. Produkt jest urządzeniem aerodynamicznym, które zmniejsza opór powodowany przez powietrze przepływające w sposób losowy, turbulentny wokół tylnej części naczepy. Zmienia on płaską powierzchnię tylnych drzwi na krzywoliniowy kształt.
Wyzwanie
Opracowana przez Aerodynamic Trailer Systems konstrukcja to nadmuchiwany element zbudowany z wytrzymałego, elastycznego materiału polimerowego, który automatycznie nadmuchuje się i opróżnia za pomocą dmuchawy i systemu zaworów przy ustawionych wcześniej prędkościach na autostradzie. Opróżniona pozycja umożliwia pełne otwarcie tylnych drzwi w celu załadunku towarów.
„Nadmuchany ogon ma unikalnie zakrzywiony kształt, który bardzo trudno jest wstępnie określić na rysunkach technicznych lub zmierzyć, co utrudnia jego modelowanie” — mówi Jim Domo, dyrektor generalny Aerodynamic Trailer Systems. „Chcieliśmy zmierzyć profil aerodynamiczny urządzenia. Ponieważ naczepa jest zbyt duża, aby zmieścić się w tunelu aerodynamicznym, musieliśmy stworzyć skalowany model, który opisywałby dokładny kształt fizyczny. Równocześnie potrzebowaliśmy cyfrowej wersji ogona, aby wykonać programową komputerową analizę dynamiki płynów (CFD)”.
Rozwiązanie
Firma Aerodynamic Trailer Systems skontaktowała się z 3D Scan IT, Inc. w celu omówienia alternatyw dla tradycyjnych technik pozyskiwania danych. 3D Scan IT jest firmą metrologiczną i północnoamerykańskim integratorem PolyWorks. Jej siedziba znajduje się w Royal Oak w stanie Michigan. Technicy 3D Scan IT zalecili bezkontaktowy skaner o wysokiej gęstości jako sposób pozyskiwania danych i sprowadzili do zakładu firmy skaner Imetric IScan White Light.
„Najpierw za pomocą fotogrametrii wyznaczyliśmy punkty nawigacyjne na powierzchni ogona, a następnie wykonaliśmy pełne skanowanie za pomocą systemu skanowania światła białego Imetric. Ustawienie i fotogrametria zajęły około dwóch godzin, wliczając w to kalibrację skanera, namierzenie części i wykonanie fotogrametrii. Proces skanowania trwał około trzech godzin" — mówi Bob Squier, prezes 3D Scan IT.
Zarządzanie danymi w chmurze punktów zapewnia szybkie rezultaty
Dane pozyskano przy użyciu pakietu oprogramowania PolyWorks firmy InnovMetric. Łącznie wykonano 62 skany, które zostały zarejestrowane w układzie współrzędnych fotogrametrii. Kontrolowane tolerancją najlepsze dopasowanie skanów wykonano w module PolyWorks|IMAlign™. Wyrównane skany przetworzono następnie przy użyciu modułu PolyWorks|MMerge™ w celu utworzenia siatki wielokątów, która usunęła wszystkie nakładające się dane skanowania, jednocześnie usuwając teksturę tkaniny i zmniejszając rozmiar pliku.
Model polygonowy wprowadzono następnie do modułu PolyWorks|IMEdit™ w celu usunięcia celów fotogrametrycznych. Wodoszczelny model polygonowy utworzono przy użyciu funkcji IMEdit polegającej na wypełnianiu otworów na podstawie krzywizny.
Skanowanie ogona
Testy w tunelu aerodynamicznym
ATS chciało przetestować osiągi ogona w tunelu aerodynamicznym. „Celem było stworzenie pliku, który moglibyśmy wykorzystać w procesie szybkiego prototypowania, aby stworzyć model urządzenia w skali 1/8, który zostałby wykorzystany do testów wydajności w tunelu aerodynamicznym” — mówi Patrick Ryan, prezes ATS.
Prototyp stworzony na podstawie modelu STL w PolyWorks.
W celu przeprowadzenia symulacji model polygonowy wysłano do Auto Research Center w Indianapolis, Indiana. Ten tunel aerodynamiczny, zaprojektowany głównie do testowania samochodów wyścigowych, jest otwartą konstrukcją z przesuwającą się drogą, która dokładnie odwzorowuje warunki panujące na autostradzie. Do stworzenia skalowanego modelu ogona specjaliści z Auto Research Center wykorzystali maszynę do szybkiego prototypowania Stratasys FDM 8000 oraz wodoszczelny model polygonowy stworzony przez 3D Scan IT, Inc. w celu zbudowania części w ultracienkich warstwach z mocnego tworzywa ABS.
„Chcieliśmy wykorzystać te dane z testów w tunelu aerodynamicznym, aby dokonać zmian projektowych w ostatniej chwili, zanim rozpoczniemy produkcję urządzenia, więc dla naszego programu niezwykle istotne było, by model był tak dokładny, jak to tylko możliwe” — mówi Ryan.
Proces tworzenia NURBS.
Analiza CFD
Oprócz testów w tunelu aerodynamicznym, firma ATS chciała przeprowadzić analizę CFD. W celu przeprowadzenia analizy firma 3D Scan IT przygotowała model powierzchniowy (model NURBS) przy użyciu modułu PolyWorks|IMEdit.
Najpierw stworzono sieć krzywych, wykorzystując funkcje wyodrębniania i edycji krzywych w programie IMEdit. Automatyczne procedury dopasowania powierzchni NURBS tworzą powierzchnie w trakcie tworzenia krzywych. Moduł PolyWorks|IMInspect™ wykorzystano do wyrównania modelu do ogólnego układu współrzędnych drzwi naczepy, ponieważ ogon musiał dokładnie pasować do obszaru drzwi, nie zasłaniając zawiasów.
Zoptymalizowany model NURBS wysłano do specjalistów z NASA w celu przeprowadzenia analizy CFD. Oprogramowanie umożliwiło szybki przegląd osiągów aerodynamicznych nadmuchiwanego ogona w różnych warunkach.
Model NURBS wyeksportowano również do pakietu oprogramowania SolidWorks® firmy ATS w celu wykorzystania go w przyszłych modyfikacjach oraz do celów produkcyjnych.
Korzyści
Według Domo i Ryana model ogona w skali 1/8, stworzony w procesie skanowania laserowego i zarządzania chmurą punktów, stanowił precyzyjny wymiarowo model pełnowymiarowego urządzenia, praktycznie jego dokładną replikę. „Byliśmy pewni, że gdy przeprowadzimy testy w tunelu aerodynamicznym, uzyskamy istotne wyniki, które będą miały bezpośrednie zastosowanie do pełnowymiarowego urządzenia” — mówi pan Ryan.
Zużycie paliwa spadło nawet o 5%.
Wyniki testów wykazały, że ogon pozwala zmniejszyć spalanie nawet o 5%. „Przekłada się to na mniejszą emisję spalin i mniejsze koszty paliwa dzięki poprawie oporu aerodynamicznego naczepy, co zmniejsza faktyczny ładunek, który holuje ciągnik, poprawiając tym samym wydajność” — mówi Domo. „Dodatkowo uważamy, że przy niewielkich modyfikacjach kształtu urządzenia, możemy jeszcze bardziej poprawić jego działanie”. Dodaje, że zastosowanie technologii skanowania i zarządzania danymi w chmurze punktów skróciło czas tworzenia modelu o rzędy wielkości. „Byliśmy w stanie stworzyć precyzyjny model w ciągu zaledwie kilku dni” — mówi.
Bob Squier z 3D Scan IT, Inc. stwierdził, że to zastosowanie było wyjątkowe, ponieważ cały proces projektowania i produkcji opierał się na skanowaniu i udoskonalaniu danych z chmur punktów oraz na szybkim prototypowaniu. „Tradycyjne podejście do projektowania i rozwoju produktu po prostu nie dałoby rezultatów, których oczekiwała firma”.
