Generování povrchových dat pro počítačové

simulace letu.

 

Společnost Lockheed Martin musí splnit napnutý termín pro 3D skenování a zpracování mračen bodů stíhačky z 50. let.

 

V roce 2005 zaujala divizi Missiles & Fire Control společnosti Lockhead Martin (dále jen LM M&FC) aerodynamika 50 let staré švédské stíhačky Saab A-35 Draken. Odborníci na aerodynamiku z LM M&FC potřebovali velmi přesnou digitální kopii letadla, kterou by bylo možné importovat do nástrojů pro inženýrskou analýzu, aby bylo možné získat skutečný aerodynamický výkon..

Požadována byla kompletní, přesná data povrchu celého letadla spolu se skeny výklenků pro zbraně ve vysokém rozlišení. Lockheed Martin proto požádal společnost Exact Metrology, která se zabývá technologiemi 3D skenování, aby získala a vytvořila data, , která by bylo možné vložit do počítačových simulací letu.

Data byla potřebná pro zajištění toho, že systémy dodávání zbraní přežijí v bojových prostředích 21. století. Dodavatelé, jako je Lockheed Martin, kteří působí v leteckém průmyslu, neustále hledají způsoby, jak zmírnit vysoké náklady na testování. Jedním z řešení je využití komerčních firem namísto vojenského testovacího zařízení a spíše digitálních než fyzických prostředků.

Výzva

  • Zachytit v plné velikosti tvar letadla o délce 15 m s rozpětím křídel 9,5 m.
  • Rychle dodat NURBS povrchy pro simulační software.
  • Zpracovat data získaná ze skenerů s vysokým a nízkým rozlišením.

Při skenování a digitalizaci bylo nutné čelit třem velkým výzvám:

  1. Rychlost: Společnost Lockheed Martin spěchala, protože měla před sebou 90 dnů nepřetržitého zpracovávání dat pro simulace letu. Počáteční povrchová data bylo nutné dodat během týdne a společnost Exact Metrology jim je dokázala dát.
  2. Velikost modelu: Letoun Draken byl pro digitalizaci obrovským modelem. Byl dlouhý více než 15 m s rozpětím křídel 9,5 m a směrovým kormidlem sahajícím do výšky přes 4 m. Aby bylo možné minimalizovat velikost souboru byly použity dva typy skenerů: skener s vysokým rozlišením (VIVID 910 značky Konica-Minolta) pro vysoce detailní oblasti a pro ploché oblasti rychlejší skener s nízkým rozlišením (Cyra2500 značky Leica).
  3. Flexibilita: Společnost Exact Metrology potřebovala softwarové řešení, které by zpracovávalo data získaná ze skenerů s vysokým a nízkým rozlišením.

 

Aby společnost Exact Metrology dokázala těmto výzvám čelit, obrátila se na PolyWorks®, přední softwarové řešení pro zpracování mračen bodů od výrobce InnovMetric Software.

Řešení

Volba správné posádky do terénu

Společnost Exact Metrology získala tuto práci díky svým jedinečným zkušenostem se skenováním v dlouhém a krátkém dosahu. Rozhodnout pomohlo také to, že Exact Metrology měla prostor hned zareagovat.

Týden před Dnem díkůvzdání (2005) přijala telefonát od společnosti Lockheed Martin. Matt Cappel, manažer společnosti Exact Metrology, již o tři dny později směřoval letadlem do Los Angeles spolu s operátorem skeneru. Skenování bylo dokončeno za dva dny a na Den díkůvzdání byli doma. Skenování bylo provedeno ve městě Inyokern v kalifornské poušti Mojave (USA). Šest zbývajících letounů Draken bylo rekonstruováno a dopraveno právě tam.

Pro projekt Draken potřebovala společnost Exact Metrology rychle zpracovat několik gigabajtů dat z mračen bodů ve velmi rozdílných rozlišeních (rozdíl až 10 000× nebo pět řádových velikostí) do jediného modelu CAD). Při práci s vysokým rozlišením shromáždila společnost Exact Metrology 266 mračen bodů, v průměru 250 000 bodů na díl. Jednalo se o práci na blízko, na krátkou vzdálenost s pořizováním snímků o velikosti zhruba 0,185 metrů čtverečních pomocí skeneru Minolta VIVID 910.

Skenování s nízkým rozlišením bylo provedeno pomocí zařízení Cyra2500 od společnosti Leica Geosystems. U těchto skenů technici nasbírali asi 20 milionů bodů. „Bylo to dostatečně přesné i pro ty nejmenší aerodynamické tvary, ale nemělo to tak vysoké rozlišení, aby byla zachycena nepotřebná data, jako jsou hlavy nýtů nebo body závěsů,“ uvedl Cappel. „Práce s nízkým rozlišením pro nás byla spíše jako geodetický průzkum.“

Po všech skenováních a digitalizaci měla společnost Exact Metrology cca 250 skenů s vysokým a nízkým rozlišením o celkové velikosti 4.6 gigabajtů. Avšak výsledný soubor, který byl dodán do Lockheed Martin byl relativně malý cca 200 megabajtu (200MB).

Zarovnání skenů

K zarovnání 260 skenů do jednoho modelu byl použit modul PolyWorks|IMAlign™. Technika zarovnání PolyWorks nevyžaduje použití cílů nebo značek na dílu. Namísto toho využívá geometrický tvar samotných skenů k jejich vzájemnému zarovnání. „To, že na letadle nebylo nutné používat cíle, výrazně zlepšilo proces skenování,“ prohlásil Cappel.

Polygonální model

Po zarovnání skenů byl výsledný model mračna bodů transformován v modulu PolyWorks|IMMerge™ na polygonální model ve formátu Stereolithography Tessellation Language (STL). Software PolyWorks vytváří polygonální síť (trojúhelníky) přizpůsobenou zakřivení povrchu při zachování vysokého rozlišení hran a zaoblení a zároveň vytváří větší trojúhelníky v plochých oblastech. Některé simulační softwarové balíčky umí zpracovávat soubory STL, ale systém používaný LM M&FC je nepodporoval. Proto byl potřebný soubor použitelný v CAD.

Vytvoření sítě křivek

K vytvoření modelu použitelného v CAD systému vypočítá software PolyWorks matematické zastoupení povrchů nazývaných NURBS ( non-uniform rational B-splines) na polygonálním modelu. Před výpočtem povrchů NURBS je na polygonálním modelu vytvořena síť křivek, aby se určilo, kam mají být povrchy napasovány. Software PolyWorks poskytuje automatické i ruční nástroje pro vytvoření sítě křivek. Charakteristické křivky lze extrahovat jedním kliknutím myši pomocí extrakčních algoritmů PolyWorks. Síť křivek lze ručně zpřesnit pomocí technik, kde se od uživatele požaduje pouze několik kliknutí.

Povrchy NURBS

Povrchy NURBS byly následně automaticky napasovány na síť křivek. Tyto povrchy byly exportovány jako soubory IGES nebo STEP do analytického systému Lockheed Martin. Konečné výstupy splňovaly požadavky společnosti Lockheed Martin z hlediska přesnosti, velikosti souboru a počtu záplat.

Software PolyWorks generuje povrchy NURBS, které doopravdy fungují v CAD.

 

Ke kvalitě povrchů NURBS významně přispěly tři faktory:

  • Vysoká kvalita polygonálního modelu z PolyWorks, který je základem povrchů NURBS.
  • Schopnost určit křivky kriticky důležitých prvků při vytváření sítě křivek a omezení tvorby povrchů NURBS na tyto kritické křivky.
  • Možnost použití T-spojů při vytváření sítě křivek pro zajištění logičtějšího rozložení záplat.

Výhody

Společnosti Exact Metrology trvalo dva a půl týdne (od skenování až po konečné dodání), než zachytila, upravila a naformátovala obrovské množství naskenovaných dat stíhačky Saab A-35 podle požadavků společnosti Lockheed Martin. „Na práci v rozsahu několika gigabajtů jde o velmi rychlé dodání,“ řekl Cappel. Odhaduje se, že došlo k úspoře 67 % až 80 % z hlediska doby získávání dat a 50 % z hlediska doby zpracování dat.

„Všichni zaměstnanci společnosti Lockheed, se kterými jsme spolupracovali, nám řekli, že byli naprosto nadšeni kvalitou a komplexností dat. Nedošlo k žádným zádrhelům ani restartům, které dovedou zničit harmonogramy simulace. Aplikační specialisté společnosti InnovMetric nám byli velkou oporou. Bylo to jako bychom v našem týmu měli dalšího technického zaměstnance, který nás převedl přes těžká místa.“ Matt Cappel, Manager ve společnosti Exact Metrology

 

Kvantifikovatelné výhody:

  • Celé letadlo, každý jeden vnější povrch, bylo naskenováno a digitalizováno během dvou dnů pouhými dvěma osobami. Jakékoli jiné metody by trvaly dvakrát až čtyřikrát déle, takže při získávání dat došlo k 67 % až 80 % úspoře času.
  • Pouze na software PolyWorks se dalo spolehnout z hlediska toho, že přesně zpracuje 4 gigabajty dat. V opačném případě by bylo nutné soubor rozdělit na několik částí, což by vyžadovalo další slučovací kroky a sestavení dat a zdvojnásobení, případně ztrojnásobení doby zpracování.
  • Konkurenční balíčky nebyly zdaleka tak rychlé a čas byl rozhodující. Ve srovnání s méně efektivním softwarem ušetřil software PolyWorks odhadem dva týdny času.
  • Výjimečná úspora nákladů z hlediska počítačové simulace namísto fyzického testování v aerodynamických tunelech.

Budoucnost

Jak společnost Lockheed Martin vysvětlila společnosti Exact Metrology, záměrem projektu Saab A-35 bylo získat lepší pochopení aerodynamiky potenciálního testovacího letounu od komerční společnosti, a to se podařilo.

Aerodynamika letounu Draken byla ve své době revoluční a je působivá i dnes, o půl století později. Letoun Draken byl navržen:

  • Pro krátké vzlety a přistání na malých letištích v blízkosti bojových zón.
  • Pro optimalizovanou kombinaci výkonu při vysokých a nízkých rychlostech.
  • Pro výměnu zbraní mezi misemi během několika minut.
  • Jako sešroubováný, aby bylo možné vyměnit jeden nebo více z jeho 4 segmentů , poslat jej do servisu nebo modernizovat.

Díky společnostem Exact Metrology a InnovMetric má nyní Lockheed Martin všechny podrobnosti o aerodynamice ve svých systémech pro simulaci letu, a to rychle a za velmi nízkou cenu.

Zvolte svoje místo a jazyk

Vyberte svou polohu

Afghanistan

Åland Islands

Albania

Algeria

American Samoa

Andorra

Angola

Anguilla

Antarctica

Antigua and Barbuda

Argentina

Armenia

Aruba

Australia

Austria

Azerbaijan

Bahamas

Bahrain

Bangladesh

Barbados

Belarus

Belgium

Belize

Benin

Bermuda

Bhutan

Bolivia, Plurinational State of

Bonaire, Sint Eustatius and Saba

Bosnia and Herzegovina

Botswana

Bouvet Island

Brazil

British Indian Ocean Territory

Brunei Darussalam

Bulgaria

Burkina Faso

Burundi

Cambodia

Cameroon

Canada

Cape Verde

Cayman Islands

Central African Republic

Chad

Chile

China

Christmas Island

Cocos (Keeling) Islands

Colombia

Comoros

Congo

Congo, The Democratic Republic of the

Cook Islands

Costa Rica

Côte d'Ivoire

Croatia

Cuba

Curaçao

Cyprus

Czech Republic

Denmark

Djibouti

Dominica

Dominican Republic

Ecuador

Egypt

El Salvador

Equatorial Guinea

Eritrea

Estonia

Ethiopia

Falkland Islands (Malvinas)

Faroe Islands

Fiji

Finland

France

French Guiana

French Polynesia

French Southern Territories

Gabon

Gambia

Georgia

Germany

Ghana

Gibraltar

Greece

Greenland

Grenada

Guadeloupe

Guam

Guatemala

Guernsey

Guinea

Guinea-Bissau

Guyana

Haiti

Heard Island and McDonald Islands

Holy See (Vatican City State)

Honduras

Hong Kong

Hungary

Iceland

India

Indonesia

Iran, Islamic Republic of

Iraq

Ireland

Isle of Man

Israel

Italy

Jamaica

Japan

Jersey

Jordan

Kazakhstan

Kenya

Kiribati

Korea, Democratic People's Republic of

Korea, Republic of

Kuwait

Kyrgyzstan

Lao People's Democratic Republic

Latvia

Lebanon

Lesotho

Liberia

Libya

Liechtenstein

Lithuania

Luxembourg

Macao

Macedonia, The Former Yugoslav Republic of

Madagascar

Malawi

Malaysia

Maldives

Mali

Malta

Marshall Islands

Martinique

Mauritania

Mauritius

Mayotte

Mexico

Micronesia, Federated States of

Moldova, Republic of

Monaco

Mongolia

Montenegro

Montserrat

Morocco

Mozambique

Myanmar

Namibia

Nauru

Nepal

Netherlands

Netherlands Antilles

New Caledonia

New Zealand

Nicaragua

Niger

Nigeria

Niue

Norfolk Island

Northern Mariana Islands

Norway

Oman

Pakistan

Palau

Palestine, State of

Panama

Papua New Guinea

Paraguay

Peru

Philippines

Pitcairn

Poland

Portugal

Puerto Rico

Qatar

Réunion

Romania

Russian Federation

Rwanda

Saint Barthélemy

Saint Helena, Ascension and Tristan da Cunha

Saint Kitts and Nevis

Saint Lucia

Saint Martin (French part)

Saint Pierre and Miquelon

Saint Vincent and the Grenadines

Samoa

San Marino

São Tomé and Príncipe

Saudi Arabia

Senegal

Serbia

Seychelles

Sierra Leone

Singapore

Sint Maarten (Dutch part)

Slovakia

Slovenia

Solomon Islands

Somalia

South Africa

South Georgia and the South Sandwich Islands

South Sudan

Spain

Sri Lanka

Sudan

Suriname

Svalbard and Jan Mayen

Swaziland

Sweden

Switzerland

Syrian Arab Republic

Taiwan, Province of China

Tajikistan

Tanzania, United Republic of

Thailand

Timor-Leste

Togo

Tokelau

Tonga

Trinidad and Tobago

Tunisia

Türkiye

Turkmenistan

Turks and Caicos Islands

Tuvalu

Uganda

Ukraine

United Arab Emirates

United Kingdom

United States

United States Minor Outlying Islands

Uruguay

Uzbekistan

Vanuatu

Venezuela, Bolivarian Republic of

Viet Nam

Virgin Islands, British

Virgin Islands, U.S.

Wallis and Futuna

Western Sahara

Yemen

Zambia

Zimbabwe

Vyberte si jazyk

Potvrdit