Создание поверхностных данных для компьютеризированного моделирования полетов
Lockheed Martin соблюдает сжатые сроки 3D-сканирования и обработки облаков точек истребителя 1950-х годов.
В 2005 году отделение управляемых ракет и систем управления огнём компании Lockheed Martin было заинтриговано аэродинамикой построенного в Швеции 50-летнего реактивного истребителя Saab A-35 Draken. Специалистам по аэродинамике LM M&FC нужно было получить очень точную карту данных самолета, которую можно было бы импортировать в инструменты инженерного анализа для получения реальных аэродинамических характеристик.
Требовались полные и точные данные о поверхности всего самолета, а также сканы оружия и отсеков орудий с высоким разрешением. Компания Lockheed Martin обратилась в Exact Metrology, чтобы задействовать их возможности сканирования, позволяющие генерировать данные поверхности и вводить их в компьютерное моделирование полета.
Эти данные были необходимы, чтобы гарантировать, что системы доставки оружия выживут в боевых условиях 21 века. Подрядчики в аэрокосмической отрасли, такие как Lockheed Martin, постоянно ищут способы снижения высоких затрат на испытания. Одним из решений является использование коммерческих подрядчиков вместо военного испытательного центра и цифровых, а не физических средств.
Задача
- Съемка трехмерной формы полноразмерного самолета длиной 50 футов (15,2 м) с размахом крыльев 31 футов (9,5 м)
- Быстрая доставка поверхностей NURBS в программное обеспечение для моделирования
- Обработка данных, полученных со сканеров высокого и низкого разрешения
У компании было три больших проблемы, связанные со сканированием и оцифровкой:
- Скорость: Lockheed Martin очень спешила, потому что компании требовалось 90 дней непрерывно обрабатывать данные при моделировании полета. Исходные данные о поверхностях нужно было получить через неделю, и Exact Metrology их предоставила.
- Размер модели: Draken был огромной моделью для оцифровки. Самолет имеет длину более 50 футов (15,2 м), размах крыльев 31 фут (9,5 м) и высоту руля направления почти 14 футов (4,3 м). Чтобы минимизировать размер файла, использовались сканеры двух типов: сканер с высоким разрешением (Vivid 910 от Konica-Minolta) для областей с высокой детализацией и сканер с низким разрешением (и более быстрый) (Cyra2500 от Leica) для плоских участков.
- Гибкость: Exact Metrology требовалось программное решение для обработки данных, полученных со сканеров высокого и низкого разрешения.
Чтобы решить эти задачи, Exact Metrology обратилась к PolyWorks®, ведущему программному решению для обработки облаков точек компании InnovMetric Software.
Решение
Выбор правильного экипажа на поле
Exact Metrology получила эту работу благодаря своему уникальному опыту в области сканирования на большие и короткие расстояния. Также помогло то, что Exact Metrology сразу отреагировала.
Звонок от Lockheed Martin поступил за неделю до Дня благодарения (2005 г.). Мэтт Каппель, менеджер Exact Metrology, и оператор сканера вылетели в Лос-Анджелес через три дня. Сканирование было выполнено за два
дня, и они успели вернуться домой ко Дню благодарения. Сканирование проводилось в Иньокерне в пустыне Мохаве в Калифорнии. Шесть из оставшихся самолетов Draken были отремонтированы и отправлены туда.
Для проекта Draken компании Exact Metrology требовалось быстро обработать несколько гигабайтов данных облака точек с сильно различающимся разрешением - до 10 000 раз или пяти порядков - в единую модель CAD. В работе с высоким разрешением Exact Metrology собрала 266 облаков точек, в среднем по 250 000 точек каждое. Сканирование выполнялось с близкого расстояния, изображения площадью около двух квадратных футов получали с использованием сканера Minolta Vivid 910.
Сканирование с низким разрешением было выполнено с помощью Cyra2500 от Leica Geosystems. Для этих сканирований было набрано около 20 миллионов точек. «Это было достаточно точным даже для самых маленьких аэродинамических форм, но не настолько высоким по разрешению, чтобы захватывать ненужные данные, такие как головки заклепок и точки шарниров, - сказал Каппель. - Работа с низким разрешением была для нас больше похожа на приложение для съемки».
После всех сканирований и оцифровки - около 250 сканов с высоким и низким разрешением, составляющих в общей сложности 4,6 гигабайта данных - окончательным результатом, переданным Exact Metrology в Lockheed Martin, стал относительно небольшой несжатый файл размером 200 мегабайтов (МБ).
Совмещение сканов
Модуль PolyWorks IMAlign использовался для совмещения 260 сканированных изображений в единую модель. Метод совмещения PolyWorks не требует использования целей или маркеров на детали. Вместо этого используется геометрическая форма самих сканированных изображений, чтобы согласовать их друг с другом. «Отсутствие необходимости использовать цели на самолете значительно улучшило процесс сканирования», - заявил Каппель.
Полигональная модель
После совмещения сканов получившаяся модель облака точек была преобразована в модуле PolyWorks IMMerge в полигональную модель в формате языка тесселяции стереолитографии (STL). PolyWorks создает полигональную сетку (треугольники), адаптированную к кривизне поверхности, сохраняя высокое разрешение по краям и скруглениям, создавая при этом более крупные треугольники на плоских участках. Некоторые пакеты программного обеспечения для моделирования могут обрабатывать файлы STL, однако система, используемая Lockheed Martin M&FC, их не поддерживает. Требовался файл, пригодный для использования в CAD.
Построение сетки кривых
Чтобы создать модель, пригодную для использования в CAD, PolyWorks вычисляет математическое представление поверхностей, называемое NURBS (неоднородные рациональные B-сплайны), на полигональной модели. Перед вычислением поверхностей NURBS на полигональной модели строится сеть кривых, чтобы определить, где поверхности должны быть подогнаны. PolyWorks предоставляет как автоматические, так и ручные инструменты для создания сети кривых. Кривые элементов могут быть извлечены одним щелчком мыши с использованием алгоритмов извлечения PolyWorks. А кривую сети можно настроить вручную с помощью методов, которые потребуют от пользователя всего пары щелчков мышью.
Поверхности NURBS
Затем NURBS-поверхности были автоматически подогнаны к сети кривых. Эти поверхности были экспортированы в виде файлов IGES или STEP в аналитическую систему Lockheed Martin. Окончательные результаты соответствовали требованиям Lockheed Martin с точки зрения точности, размера файла и количества фрагментов.
PolyWorks создает поверхности NURBS, которые действительно работают в CAD.
На качество поверхностей NURBS во многом повлияли три фактора:
- Высокое качество полигональной модели PolyWorks, лежащей в основе поверхностей NURBS.
- Возможность определять критические кривые элементов при построении сети кривых и ограничивать создание поверхности NURBS этими критическими кривыми.
- Возможность использования Т-образных переходов при создании сети кривых, что обеспечивает более логичную схему расположения фрагментов.
Преимущества
От сканирования до подачи заключительной документации Exact Metrology потребовалось две с половиной недели, чтобы собрать, отредактировать и отформатировать огромное количество отсканированных данных по Saab A-35 в соответствии с требованиями Lockheed Martin. «Для работы в объеме нескольких гигабайтов это очень быстро», - сказал Каппель. По расчетам, экономия времени на сбор данных составила от 67% до 80%, а на время обработки данных - 50%.
«Все сотрудники Lockheed, с которыми мы работали, сказали нам, что они были в полном восторге от качества и полноты данных. Не было сбоев и перезапусков, которые могут нарушить графики моделирования. Специалисты InnovMetric по приложениям нам очень помогли. Это все равно что иметь дополнительного технического сотрудника в нашем штате, который помогает преодолевать трудности». Мэтт Каппель, менеджер Exact Metrology
Преимущества, поддающиеся количественной оценке:
- Весь самолет, каждая внешняя поверхность была отсканирована и оцифрована за два дня всего двумя людьми. Для других методов потребовалось бы в два-четыре раза больше времени, поэтому время сбора данных удалось сократить на 67–80%.
- Только PolyWorks может точно обрабатывать 4 гигабайта данных. В противном случае файл пришлось бы разделить на несколько частей, что потребовало бы дополнительных шагов для объединения и сбора данных и увеличило бы время обработки в два или три раза.
- Конкурирующие пакеты были далеко не такими быстрыми, а время имело большое значение. PolyWorks позволила сэкономить около двух недель по сравнению с менее эффективными программами.
- Значительная экономия средств за счет компьютерного моделирования вместо физических испытаний в аэродинамических трубах.
Будущее
Как специалисты Lockheed Martin объяснили Exact Metrology, цель проекта Saab A-35 заключалась в том, чтобы получить лучшее понимание аэродинамики потенциального испытательного самолета от коммерческой компании, и это было выполнено.
Аэродинамика Draken была революционной для своего времени и впечатляет даже сегодня, полвека спустя. Draken был разработан:
- Для коротких взлетов и посадок на небольших аэродромах вблизи зоны боевых действий.
- Для оптимального сочетания высокой и низкой скорости.
- Для пополнения боекомплекта между боевыми заданиями за считанные минуты.
- С такой конструкцией, чтобы четыре сегмента самолета можно было заменить, отправить на обслуживание или модернизировать.
Благодаря Exact Metrology и InnovMetric, Lockheed Martin теперь имеет все аэродинамические детали в своих системах моделирования полета - быстро и по очень низкой цене.
