Melhorando a eficiência do combustível com engenharia de nuvens de pontos
A Aerodynamic Trailer Systems usa a solução de software PolyWorks® para ajudar a digitalizar uma forma complicada e realizar análises CFD e ensaios de túnel de vento em seus defletores inflados para carretas.
A Aerodynamic Trailer Systems Ltd. (ATS), Auburn, Ohio, desenvolveu um novo produto que se encaixa nas portas de carretas comerciais de modo a proporcionar uma forma mais aerodinâmica à parte traseira do reboque. O objetivo é uma “Tecnologia Verde” para reduzir as emissões, melhorando a eficiência de combustível dos caminhões de transporte rodoviário. O produto, um defletor traseiro no formato de barco, é um dispositivo aerodinâmico que reduz a força de resistência causada pelo fluxo de ar aleatório e turbulento em torno da traseira de um reboque comercial. Ela efetivamente muda a superfície plana das portas traseiras para uma forma curvilínea.
O desafio
O projeto da traseira do reboque, desenvolvido pela Aerodynamic Trailer Systems, é um defletor traseiro inflável no formato de barco, construído com um polímero flexível resistente que infla e desinfla automaticamente utilizando um soprador e um sistema de válvulas em velocidades de viagem predefinidas. Quando está esvaziada, supera um desafio de design, pois permite que as portas traseiras sejam totalmente abertas para o carregamento do frete.
“A peça em formato de barco inflado é uma forma curva exclusiva que é muito difícil de projetar em medidas ou desenhos técnicos, o que torna difícil fazer a modelagem”, disse Jim Domo, CEO da Aerodynamic Trailer Systems. “Queríamos medir o perfil aerodinâmico do dispositivo. Como um reboque de caminhão é grande demais para caber em um túnel de vento, precisávamos criar um modelo em escala que descrevesse a forma física com exatidão. Em paralelo, precisávamos de uma versão digital da peça a fim de realizar uma análise computadorizada de dinâmica de fluidos (CFD) baseada em software.”
A solução
A Aerodynamic Trailer Systems contatou a 3D Scan IT, Inc. para discutir alternativas às técnicas tradicionais de coleta de dados. A 3D Scan IT é uma empresa de metrologia e integradora norte-americana do PolyWorks. A empresa é sediada em Royal Oak, Michigan. Os técnicos da 3D Scan IT recomendaram um scanner de alta densidade sem contato, como a abordagem de coleta de dados, e trouxeram um scanner Imetric IScan White Light para as instalações da empresa.
“Primeiro, usamos fotogrametria para configurar pontos de navegação na superfície da peça com formato de barco, em seguida, realizamos uma digitalização completa usando o sistema de digitalização com luz branca da Imetric. A configuração e a fotogrametria levaram aproximadamente duas horas, incluindo a calibração do scanner, o direcionamento da peça no percurso e realização a da fotogrametria. O processo de digitalização levou cerca de três horas ”, afirmou Bob Squier, presidente da 3D Scan IT.
Gestão de dados de nuvens de pontos fornece resultados rápidos
Os dados foram adquiridos usando a suite de software PolyWorks da InnovMetric. Foram feitas 62 digitalizações no total e elas foram registradas no sistema de coordenadas da fotogrametria. Foi realizado um alinhamento best-fit controlado por tolerância das digitalizações no módulo PolyWorks IMAlign™. As digitalizações alinhadas foram então processadas no módulo PolyWorks IMMerge™ para criar uma malha poligonal que removeu todos os dados sobrepostos da digitalização, enquanto removia a textura do tecido e reduzia o tamanho do arquivo.
O modelo poligonal foi então colocado no módulo PolyWorks IMEdit™ para remover os alvos da fotogrametria. Um modelo poligonal impermeável foi criado usando-se a funcionalidade do IMEdit do procedimento de preenchimento de furos baseado na curvatura.
Digitalizando a peça inflável
Ensaios de túnel de vento
A ATS queria testar o desempenho da cauda do barco em um túnel de vento. “O objetivo era criar um arquivo que pudéssemos usar em um processo de prototipagem rápida para criar rapidamente um modelo em escala 1/8 do defletor em formato de barco que seria usado em ensaios de desempenho em um túnel de vento”, disse Patrick Ryan, presidente da ATS.
Protótipo criado a partir do modelo STL do PolyWorks.
Para realizar a simulação, o modelo poligonal foi enviado ao Auto Research Center (Centro de Pesquisas Automobilísticas) em Indianapolis, Indiana. Esta instalação de ensaios em túnel de vento, projetada principalmente para testar carros de corrida, é um projeto de pista de rolamento com jato aberto que reproduz com precisão as condições das estradas. Para criar um modelo em escala do defletor em formato de barco, o especialista da Auto Research Center usou uma máquina de prototipagem rápida Stratasys FDM 8000 e o modelo poligonal impermeável criado pela 3D Scan IT, Inc. para construir o defletor em camadas ultrafinas de plástico ABS resistente.
“Planejamos usar os dados dos ensaios do túnel de vento para fazer alterações de última hora no projeto do defletor antes de colocá-lo em produção, por isso era essencial para nosso programa que o modelo fosse tão preciso quanto possível”, disse Ryan.
Processo de criação de NURBS.
Análise CFD
Além dos ensaios no túnel de vento, a ATS queria realizar uma análise CFD. Para realizar essa análise, a 3D Scan IT preparou um modelo superficial (modelo NURBS) usando o módulo PolyWorks IMEdit.
Primeiro, uma rede de curvas foi criada usando as funcionalidades de extração e edição de curvas do IMEdit. Os procedimentos de ajuste automático das superfícies NURBS criam as superfícies à medida que as curvas são concluídas. O módulo PolyWorks IMInspect™ foi usado para alinhar o modelo ao sistema de coordenadas global das portas do reboque, já que o defletor em formato de barco tinha que se encaixar exatamente na área da porta, sem obstruir as dobradiças.
O modelo NURBS otimizado foi enviado a especialistas da NASA para a realização das análises CFD. Este software forneceu uma visão geral rápida do desempenho aerodinâmico do defletor inflável sob várias condições.
O modelo NURBS também foi exportado para a suite de software SolidWorks® da ATS, que será capaz de usá-lo para futuras modificações e para a produção.
Os benefícios
De acordo com o Sr. Domo e o Sr. Ryan, o modelo em escala 1/8 do defletor criado pelo processo de digitalização com laser e de gerenciamento de dados de nuvem de pontos foi um modelo dimensionalmente preciso do dispositivo em tamanho real - virtualmente uma réplica exata. “Estávamos confiantes de que, ao realizarmos os ensaios em túnel de vento, obteríamos resultados significativos que se aplicariam diretamente ao dispositivo em tamanho real”, disse o Sr. Ryan.
Houve uma redução de consumo de combustível de até 5%
Os resultados do teste indicaram que o defletor em formato de barco pode reduzir o consumo de combustível em até 5%. “Isso se traduz em menos emissões e em uma redução dos custos de combustível por meio de melhorias na resistência aerodinâmica do reboque, o que diminui a carga efetiva que o caminhão deve puxar, melhorando assim a eficiência”, disse o Sr. Domo. “Além disso, acreditamos que, com algumas pequenas modificações no formato do defletor, podemos melhorar ainda mais nosso perfil”. Ele acrescentou que o uso da tecnologia de digitalização e gerenciamento de dados de nuvem de pontos reduziu em muito o tempo necessário para criar o modelo. “Conseguimos criar a um modelo preciso em apenas alguns dias”, disse ele.
Bob Squier, da 3D Scan IT, Inc., disse que esse aplicativo é único, pois todo o processo de projeto e fabricação depende da digitalização e do refinamento dos dados da nuvem de pontos, além de uma rápida prototipagem. “Uma abordagem tradicional para o projeto e desenvolvimento de produtos simplesmente não teria obtido os resultados que a empresa estava procurando.
