Gerando dados de superfície para
Simulações de voo computadorizadas
Lockheed Martin cumpre curto prazo para digitalização 3D e processamento de nuvem de pontos de um caça a jato dos anos 1950.
Em 2005, a unidade de Mísseis e Controle de Disparo da Lockheed Martin (LM M&FC) ficou intrigada com a aerodinâmica de um caça a jato sueco de 50 anos atrás, o Saab A-35 Draken. Os especialistas em aerodinâmica da LM M&FC precisavam de um mapa de dados muito preciso da aeronave que pudesse ser importado para ferramentas de análise de engenharia a fim de obter o desempenho aerodinâmico real.
Era necessário obter os dados de superfície completos e precisos de toda a aeronave, além de digitalizações de alta resolução de armas e dos compartimentos de armas. A Lockheed Martin contatou a Exact Metrology pelos seus recursos de digitalização que poderiam gerar dados de superfície que seriam inseridos em simulações de vôo computadorizadas.
Os dados eram necessários para garantir que os sistemas de lançamento de armas sobreviveriam em ambientes de combate do século XXI. Empreiteiros aeroespaciais, como a Lockheed Martin, estão em procura constante de maneiras de mitigar os altos custos dos testes. Uma solução é usar uma atividade comercial em vez de uma instalação de testes militares - e com meios digitais em vez de físicos.
O desafio
- Capturando a forma 3D de um avião em tamanho real de 50 pés de comprimento com uma envergadura de 31 pés
- Entregar rapidamente as superfícies NURBS para o software de simulação
- Processar os dados obtidos de scanners de alta e baixa resolução
Foram encontrados três grandes desafios para a digitalização:
- Rapidez: A Lockheed Martin estava com pressa porque enfrentava 90 dias de processamento ininterrupto de dados em simulações de vôo. Tinham necessidade dos dados iniciais das superfícies em uma semana e a Exact Metrology forneceu tais dados.
- Tamanho do modelo: O Draken era um modelo enorme a ser digitalizado. A aeronave tem mais de 50 pés de comprimento com uma envergadura de 31 pés e um leme de quase 14 pés de altura. Para minimizar o tamanho do arquivo, dois tipos de scanners foram usados: um scanner de alta resolução (Vivid 910 da Konica-Minolta) para áreas altamente detalhadas e um scanner de baixa resolução (e mais rápido) (Cyra2500 da Leica) para áreas planas.
- Flexibilidade: A Exact Metrology precisava de uma solução de software que processasse os dados obtidos tanto de scanners de alta resolução quanto de baixa resolução.
Para enfrentar esses desafios, a Exact Metrology escolheu o PolyWorks®, a principal solução de software de processamento de nuvem de pontos da InnovMetric Software.
A solução
Escolhendo a equipe certa em campo
A Exact Metrology conseguiu o trabalho por causa de sua experiência única em digitalização de longo e curto alcance. Outro fator foi que a Exact Metrology podia reagir imediatamente.
A Exact Metrology recebeu a ligação da Lockheed Martin uma semana antes do Dia de Ação de Graças de 2005. Matt Cappel, gerente da Exact Metrology e um operador de scanner pegaram um avião para Los Angeles três dias depois. A digitalização foi concluída em dois dias e eles voltaram para casa para celebrar o dia de Ação de Graças. A digitalização foi feita em Inyokern, no deserto de Mojave, na Califórnia. Seis das aeronaves Draken restantes foram reformadas e levadas para lá.
Para o projeto Draken, a Exact Metrology precisava processar rapidamente vários gigabytes de dados de nuvem de pontos em resoluções totalmente diferentes - até 10.000 vezes ou cinco ordens de grandeza - em um único modelo CAD. No trabalho de alta resolução, a Exact Metrology reuniu 266 nuvens de pontos com uma média de 250.000 pontos em cada uma. Este foi um trabalho de curto alcance que capturava imagens de aproximadamente dois metros quadrados, usando um scanner Vivid 910 da Minolta.
As digitalizações de baixa resolução foram realizadas com um Cyra2500 da Leica Geosystems. Para essas digitalizações, os técnicos coletaram aproximadamente 20 milhões de pontos. “Isso era suficientemente preciso até mesmo para as menores formas aerodinâmicas, mas não era uma resolução tão alta que capturaria dados desnecessários, como cabeças de rebites e pontos de dobradiças”, disse Cappel. “O trabalho de baixa resolução foi mais como um aplicativo de levantamento topográfico para nós.”
Depois de toda a digitalização - cerca de 250 digitalizações de alta e baixa resolução que resultaram em 4,6 gigabytes de dados - a entrega final da Exact Metrology para a Lockheed Martin era um arquivo relativamente pequeno de 200 megabytes (MB), não compactado.
Alinhamento de digitalização
O módulo IMAlign do PolyWorks foi usado para alinhar as 260 digitalizações em um único modelo. A técnica de alinhamento do PolyWorks não requer o uso de alvos ou marcadores na peça. Em vez disso, ela usa a forma geométrica das próprias digitalizações para alinhá-las umas às outras. “Não ter que usar alvos no avião melhorou drasticamente o processo de digitalização”, declarou Cappel.
Modelo poligonal
Depois que as digitalizações foram alinhadas, o modelo de nuvem de pontos resultante foi transformado no módulo IMMerge do PolyWorks em um modelo poligonal no formato STL (Stereolithography Tessellation Language). O PolyWorks cria uma malha poligonal (triângulos) adaptada à curvatura da superfície, preservando a alta resolução nas arestas e filetes enquanto cria triângulos maiores em áreas planas. Alguns pacotes de software de simulação podem processar arquivos STL, no entanto, o sistema usado pela M&FC da Lockheed Martin não suportava esse formato. Era necessário um arquivo que pudesse ser utilizado em um software CAD.
Construindo uma rede de curvas
Para criar um modelo utilizável em CAD, o PolyWorks calcula uma representação matemática das superfícies chamada NURBS (B-splines racionais não uniformes) no modelo poligonal. Antes de calcular as superfícies NURBS, uma rede de curvas é construída no modelo poligonal, para determinar onde as superfícies devem ser ajustadas. O PolyWorks fornece ferramentas automáticas e manuais para criar a rede de curvas. As curvas de entidades geométricas podem ser extraídas com um clique do mouse utilizando os algoritmos de extração do PolyWorks. E a rede de curvas pode ser refinada manualmente com técnicas que requerem que o usuário clique apenas algumas vezes.
Superfícies NURBS
Depois disso, as superfícies NURBS foram ajustadas automaticamente na rede de curvas. Essas superfícies foram exportadas como arquivos IGES ou STEP para o sistema de análise da Lockheed Martin. Os resultados finais atenderam aos requisitos da Lockheed Martin em termos de precisão, tamanho do arquivo e número de patches.
O PolyWorks gera superfícies NURBS que funcionam maravilhosamente no CAD.
Três fatores contribuíram grandemente para a qualidade das superfícies NURBS:
- A alta qualidade do modelo poligonal do PolyWorks subjacente às superfícies NURBS.
- A capacidade de determinar curvas de entidades geométricas críticas enquanto durante a construção da rede de curvas e a restrição da criação das superfícies NURBS a essas curvas críticas.
- A possibilidade de usar junções em T durante a criação da rede de curvas, o que garante um layout de patches mais lógico.
Os benefícios
Da digitalização até os resultados finais, a Exact Metrology levou duas semanas e meia para capturar, editar e formatar a enorme quantidade de dados digitalizados do Saab A-35 de acordo com os requisitos da Lockheed Martin. “Para um trabalho na faixa de vários gigabytes, este é um tempo muito curto”, disse Cappel. Estima-se que houve uma economia de 67% a 80% no tempo de aquisição de dados e de 50% no tempo de processamento dos dados.
“Todas as pessoas da Lockheed com quem trabalhamos nos disseram que estavam absolutamente entusiasmadas com a qualidade e abrangência dos dados. Não houve falhas e nem reinicializações, que podem destruir os cronogramas da simulação. Os especialistas em aplicações da InnovMetric foram uma grande ajuda para nós. Eles eram como se tivéssemos um técnico extra em nossa equipe, nos ajudando a superar os pontos difíceis.” Matt Cappel, gerente da Exact Metrology
Benefícios quantificáveis:
- Toda a aeronave, cada superfície externa, foi escaneada e digitalizada em dois dias por apenas duas pessoas. Outros métodos teriam levado de duas a quatro vezes mais tempo, portanto, houve uma economia de 67% a 80% no tempo de aquisição de dados.
- Somente o PolyWorks pode ser confiável para lidar com precisão com 4 gigabytes de dados. Caso contrário, o arquivo teria que ser dividido em várias partes, exigindo etapas adicionais de mesclagem e montagem dos dados, dobrando e possivelmente triplicando o tempo de processamento.
- Os pacotes dos concorrentes não eram tão rápidos de modo algum e tempo era essencial. O PolyWorks economizou aproximadamente duas semanas em comparação com um software menos eficiente.
- Economias de custo dramáticas em termos de simulação baseada em computador em vez de testes físicos em túneis de vento.
O futuro
Como a Lockheed Martin explicou à Exact Metrology, a intenção do projeto Saab A-35 era obter um melhor entendimento da aerodinâmica de uma potencial aeronave de teste de uma empresa comercial, e este objetivo foi alcançado.
A aerodinâmica do Draken foi revolucionária para a época e ainda hoje impressiona, mesmo meio século depois. O Draken foi projetado:
- Para decolagens e pousos curtos em pequenos campos de aviação perto de zonas de batalha.
- Para uma combinação otimizada de desempenho em alta e baixa velocidade.
- Para ser rearmado entre missões em poucos minutos.
- Para ser montado por aparafusamento para que os quatro segmentos da aeronave pudessem ser substituídos, enviados para manutenção ou para receberem atualizações.
Graças à Exact Metrology e à InnovMetric, a Lockheed Martin agora tem todos os detalhes aerodinâmicos em seus sistemas de simulação de vôo - rapidamente e a um custo muito baixo.
