Повышение топливной эффективности при помощи проектирования облака точек
Aerodynamic Trailer Systems использует программное решение PolyWorks®, чтобы помочь оцифровать сложную фигуру и выполнить анализ CFD и испытания в аэродинамической трубе на накачанных воздухом суживающихся хвостовых частях грузовиков.
Компания Aerodynamic Trailer Systems Ltd. (ATS), базирующаяся в Оберне (штат Огайо), разработала новый продукт, который размещается на дверях коммерческого прицепа, чтобы придать более аэродинамическую форму задней части прицепа. Задача - создать «зеленую технологию» для сокращения выбросов за счет повышения топливной эффективности внедорожных грузовиков. Продукт, сужающаяся хвостовая часть, представляет собой аэродинамическое устройство, которое уменьшает сопротивление, вызванное произвольным турбулентным движением воздуха вокруг задней части коммерческого прицепа. При этом плоская форма поверхности задних дверей фактически превращается в криволинейную.
Задача
Конструкция хвоста, разработанная компанией Aerodynamic Trailer Systems, представляет собой надуваемую воздухом суживающуюся хвостовую часть, изготовленную из сверхпрочного гибкого полимерного материала, который автоматически надувается и сдувается с помощью воздуходувки и клапанной системы при заданных скоростях движения по шоссе. Спущенное положение преодолевает сложность конструкции, позволяя полностью открыть задние двери для погрузки груза.
«Надутый хвост имеет уникально изогнутую форму, которую очень сложно определить заранее на технических чертежах или измерить, что затрудняет моделирование, - сказал Джим Домо, главный исполнительный директор компании Aerodynamic Trailer Systems. - Мы хотели измерить аэродинамический профиль устройства. Поскольку грузовой прицеп слишком велик, чтобы поместиться в аэродинамической трубе, нам нужно было создать масштабную модель, которая передавала бы точную физическую форму. Параллельно нам требовалась цифровая версия хвоста, чтобы выполнять программный компьютеризированный гидродинамический анализ (CFD)».
Решение
Компания Aerodynamic Trailer Systems связалась с 3D Scan IT, Inc., чтобы обсудить альтернативы традиционным методам сбора данных. 3D Scan IT является метрологической компанией и субподрядчиком PolyWorks® в Северной Америке. Штаб-квартира компании находится в Роял-Оак, штат Мичиган. ИТ-специалисты 3D Scan порекомендовали бесконтактный сканер высокой плотности в качестве метода сбора данных и принесли на предприятие сканер Imetric IScan White Light.
«Сначала мы использовали фотограмметрию для настройки навигационных точек на поверхности хвоста, а затем выполнили полное сканирование, используя систему сканирования белого света Imetric. Настройка и фотограмметрия заняли около двух часов, включая калибровку сканера, нацеливание на деталь и выполнение фотограмметрии. Процесс сканирования занял около трех часов», - заявил Боб Скквайер, президент 3D Scan IT.
Управление данными облака точек обеспечивает быстрые результаты
Данные были получены с использованием программного пакета PolyWorks® от InnovMetric. Всего было сделано 62 скана, и они были зарегистрированы в системе координат фотограмметрии. В модуле PolyWorks IMAlign™ было выполнено оптимальное совмещение сканов с учетом допусков. Совмещенные сканы были затем обработаны с использованием модуля PolyWorks IMMerge™ для создания полигональной сетки, которая удаляла все перекрывающиеся данные сканирования, удаляя текстуру ткани и уменьшая размер файла.
Затем полигональная модель была перенесена в модуль PolyWorks IMEdit™ для удаления целей фотограмметрии. Водонепроницаемая полигональная модель была создана с использованием функции процедуры заполнения отверстий на основе кривизны в IMEdit.
Сканирование хвостовой части
Испытание в аэродинамической трубе
ATS хотела проверить работу хвоста в аэродинамической трубе. «Цель состояла в том, чтобы создать файл, который мы могли бы использовать в процессе быстрого прототипирования, чтобы быстро создать модель устройства хвоста в масштабе 1/8, которая будет использоваться для тестирования производительности в аэродинамической трубе», - сказал Патрик Райан, президент ATS.
Прототип, созданный из модели PolyWorks STL.
Для осуществления моделирования полигональная модель была отправлена в Auto Research Center в Индианаполисе, штат Индиана. Этот центр испытаний в аэродинамической трубе, предназначенный, главным образом, для испытаний гоночных автомобилей, представляет собой конструкцию бегущего шоссе открытого типа, которая точно воспроизводит условия шоссе. Для создания масштабной модели хвоста специалист Auto Research Center использовал машину быстрого прототипирования Stratasys FDM 8000 и водонепроницаемую полигональную модель, созданную 3D Scan IT, Inc., для изготовления детали в ультратонких слоях из прочного АБС-пластика.
«Мы планировали использовать эти данные испытаний в аэродинамической трубе для внесения изменений в конструкцию устройства в последнюю минуту перед началом производства, поэтому для нашей программы было крайне важно, чтобы модель была максимально точной», - сказал г-н Райан.
Процесс создания NURBS.
Анализ CFD
В дополнение к испытаниям в аэродинамической трубе ATS хотела провести анализ CFD. Чтобы выполнить этот анализ, 3D Scan IT подготовила модель поверхности (модель NURBS), используя модуль PolyWorks IMEdit™.
Сначала была создана сеть кривых с использованием функций извлечения и редактирования кривых в IMEdit. Автоматические процедуры подгонки поверхности NURBS создают поверхности по мере завершения кривых. Модуль PolyWorks IMInspect™ использовался для приведения модели в соответствие с глобальной системой координат дверей прицепа, поскольку хвост должен был точно соответствовать площади дверей, не закрывая при этом петли.
Оптимизированная модель NURBS была отправлена специалистам NASA для анализа CFD. Это программное обеспечение обеспечило быстрый обзор аэродинамических характеристик надувного хвоста в различных условиях.
Модель NURBS также была экспортирована в программный пакет SolidWorks® компании ATS, которая сможет использовать ее для будущих модификаций и производственных целей.
Преимущества
По словам г-на Домо и г-на Райана, модель хвоста в масштабе 1/8, созданная при помощи лазерного сканирования и процесса управления данными облака точек, была точной по размеру моделью полноразмерного устройства, практически его точной копией. «Мы были уверены, что, проводя испытания в аэродинамической трубе, мы получим значимые результаты, которые будут применяться непосредственно к полноразмерному устройству», - сказал г-н Райан.
Расход топлива снизился на 5%
Результаты испытаний показали, что хвост может снизить расход топлива на 5%. «Это приводит к снижению выбросов и снижению затрат на топливо за счет улучшения аэродинамического сопротивления прицепа, что снижает эффективную нагрузку, которую должен тянуть автомобильный тягач, повышая тем самым эффективность, - сказал г-н Домо. - Кроме того, мы считаем, что с некоторыми незначительными изменениями формы устройства мы можем еще больше улучшить наш профиль». Он добавил, что использование технологии сканирования и управления данными облака точек сократило время создания модели на целые порядки. «Мы смогли получить точную модель всего за несколько дней», - сказал он.
Боб Сквайер из 3D Scan IT, Inc. сказал, что это приложение уникально тем, что весь процесс проектирования и производства основывался на сканировании и уточнении данных облака точек, а также на быстром прототипировании. «Традиционный подход к дизайну и разработке продуктов просто не дал бы тех результатов, к которым стремилась компания».
