Audi, BMW, Daimler Chrysler et Renault

Une révolution dans le monde de l’analyse de la dynamique des fluides

Audi, BMW, DaimlerChrysler et Renault se sont tournés vers PolyWorks® afin de réduire le temps d’analyse CFD jusqu’à 83 %. 

Les grands constructeurs automobiles ont choisi la technologie de modélisation polygonale de PolyWorks pour réaliser d’importantes réductions de coûts liés aux analyses de dynamique des fluides. Découvrez comment les outils uniques de PolyWorks ont permis à Audi, à BMW, à DaimlerChrysler et à Renault de réduire de sept jours à un seul jour le temps nécessaire à la préparation d’un modèle polygonal prêt pour la CFD.

L’analyse de l’écoulement des fluides est l’étude de la manière dont les fluides, comme l’air, les liquides et les gaz, se déplacent à l’intérieur et autour d’objets solides, comme des ailes d’avion, des carrosseries automobiles ou des oléoducs. La plupart des grands constructeurs automobiles à l’échelle internationale rencontrent des problèmes liés à l’écoulement des fluides à l’étape de la conception, notamment lorsque vient le temps de mesurer la portance, la traînée, le lacet et la friction. Traditionnellement, l’analyse de la dynamique des fluides était effectuée à l’aide d’essais en soufflerie, une tâche longue et coûteuse qui doit être réalisée par des techniciens compétents. 

L’arrivée de la technologie de numérisation 3D a révolutionné la méthode d’analyse de l’écoulement des fluides en proposant des essais en soufflerie numériques. Les millions de points de données recueillis par les numériseurs 3D sans contact sont une excellente source d’information pour la simulation numérique de l’écoulement des fluides, et permettent de reproduire une analyse typique par essai en soufflerie beaucoup plus rapidement et à moindre coût. 

Le défi

Pour effectuer une analyse approfondie par essai en soufflerie numérique, un logiciel CFD, comme PowerFLOW® d’Exa, a besoin de modèles polygonaux qui répondent à des exigences strictes, notamment en matière d’exactitude, de topologie et de taille. Il n’y a pas si longtemps, la préparation du modèle pour l’analyse CFD nécessitait plusieurs étapes et pouvait prendre jusqu’à sept jours de travail. D’abord, le nuage de points numérisé devait être transformé en surfaces NURBS à l’aide d’un logiciel de rétro-ingénierie. Les surfaces obtenues étaient ensuite téléversées dans un logiciel CAO, où il fallait procéder à plusieurs opérations d’édition, comme la reconstruction de caractéristiques et la suppression de détails inutiles. Puis, le modèle CAO devait être facettisé à l’aide d’un autre logiciel pour reproduire un modèle maillé. La plupart du temps, ce modèle polygonal facettisé devait à nouveau être modifié pour correspondre à la cible de 100 000 triangles nécessaire à l’analyse CFD. 

« PolyWorks propose une approche directe qui a considérablement changé la préparation et l’optimisation de modèles polygonaux pour l’analyse CFD », a souligné M. Hans-Peter Duwe (Ph. D.), de Duwe 3D Software, en Allemagne. « PolyWorks offre une vaste gamme d’outils d’édition de polygones permettant de reconstruire des courbes caractéristiques, de supprimer des caractéristiques trop détaillées et de créer des modèles polygonaux fermés pouvant être utilisés directement dans le logiciel PowerFLOW d’Exa. Toutes les opérations peuvent être effectuées avec un seul logiciel, ce qui réduit considérablement le temps et les coûts d’analyse de l’écoulement des fluides », a-t-il ajouté.

La solution

Une boîte à outils PolyWorks complète pour l’optimisation du modèle polygonal d’une automobile 

1. Créer un modèle polygonal 

  • Les concepteurs automobiles créent un modèle physique à base d’argile ou d’une autre matière semblable. La taille du prototype de voiture peut varier de la taille réelle à des reproductions à l’échelle 1/2, 1/4 ou 1/10. 
  • Le modèle en argile est entièrement numérisé à l’aide d’un numériseur 3D. 
  • Les multiples numérisations sont ensuite recalées par photogrammétrie (pour un modèle de taille réelle) ou à l’aide de la méthode best-fit unique à PolyWorks qui recale rapidement les numérisations à l’aide des caractéristiques géométriques de l’objet (pour les petits objets). 
  • Le nuage de points recalé est maillé dans PolyWorks, et un modèle polygonal hautement exact composé de 500 000 à 1 000 000 triangles et dont la tolérance varie entre 10 et 30 microns est créé. 

2. Modifier le modèle polygonal pour l’analyse CFD 

A) Reconstruction des courbes caractéristiques 

Un des facteurs les plus importants qui influencent l’écoulement d’air d’un modèle est la qualité de ses courbes caractéristiques. Puisque les numériseurs 3D ne peuvent pas saisir les arêtes vives avec une grande exactitude, il faut procéder à des tâches d’édition lors de la reconstruction. PolyWorks propose un outil puissant qui détecte et suit les courbes caractéristiques, en plus de recaler les arêtes vives théoriques selon la méthode best-fit. Une fois les courbes et arêtes vives extraites, elles peuvent être allongées et intersectées pour créer des coins. 

B) Création d’un maillage polygonal compact et étanche 

Les étapes suivantes permettent de créer un modèle compact et étanche :

  • Remplissage des trous percés pendant l’étape de numérisation :
    • PolyWorks comporte différents outils de remplissage de trous pour boucher la surface d’un modèle polygonal. Pour les trous de complexité faible ou moyenne, les utilisateurs peuvent se servir d’une méthode de remplissage automatique des trous qui interpole aisément les ensembles courbes de triangles selon la distance à combler prédéfinie par l’utilisateur. 
    • Pour les trous plus gros ou complexes, les utilisateurs peuvent créer des surfaces composites de Bézier ou des surfaces NURBS par-dessus le modèle polygonal et insérer des surfaces triangulaires en suivant la courbe de l’objet. 
  • Suppression des caractéristiques inutiles du modèle :
    • Le but de cette opération est de maintenir un nombre de triangles aussi bas que possible. Un logiciel CFD, comme PowerFLOW d’Exa, est optimisé pour traiter des modèles polygonaux comportant jusqu’à 100 000 triangles. Pour réduire le nombre de triangles, les utilisateurs peuvent supprimer les triangles inutiles dans des zones très détaillées du modèle, comme les rainures et les bouches d’air, par exemple. 
    • L’utilisateur peut alors utiliser des surfaces composites de Bézier ou des surfaces NURBS pour reconstruire des polygones dans ces zones. 

C) Insertion de surfaces CAO

  • Il est possible d’insérer des parties d’un modèle CAO existant pour combler des éléments, comme le soubassement de carrosserie, les roues, le pare-brise, les vitres et les phares. 
  • Les surfaces de Bézier et les surfaces NURBS peuvent être utilisées pour remplir les zones où aucune surface CAO n’est disponible.

3. Réduire le nombre de triangles et optimiser leur orientation

La technologie de maillage adaptatif de PolyWorks permet de créer des modèles polygonaux intelligents, tout en conservant une résolution élevée le long des arêtes et des congés et en créant de plus gros triangles pour les surfaces planes. Pour satisfaire aux exigences strictes de PowerFLOW d’Exa, un modèle polygonal devrait : 

  • comporter environ 100 000 triangles; 
  • ne pas avoir de triangles avec un mauvais rapport de forme (hauteur/base); 
  • comporter des triangles dont l’orientation suit la courbe de l’objet. 

PolyWorks offre des techniques de pointe pour préparer un modèle conforme à ces exigences. Les utilisateurs peuvent :

  • régler le paramètre de réduction à un nombre cible de triangles; 
  • limiter la longueur des arêtes pour empêcher la création de grands triangles au rapport de forme médiocre; 
  • préciser l’angle de détection des arêtes afin de préserver les lignes caractéristiques; 
  • faire appel à un algorithme d’optimisation de maillage qui recale les arêtes des triangles le long d’une courbe.

Les avantages

Finalement, un modèle polygonal optimal est exporté au format STL par PolyWorks vers PowerFLOW d’Exa pour une simulation CFD approfondie. PowerFLOW transforme le modèle polygonal en un maillage de voxels pour reproduire la surface solide, puis calcule le mouvement des particules et leurs collisions entre elles et avec la surface solide sur une période en temps réel. Une analyse CFD PowerFLOW réalisée par PolyWorks offre une série d’avantages impossibles à obtenir par des simulations physiques en soufflerie, en plus de permettre aux experts de l’industrie automobile de mieux comprendre le comportement de l’écoulement des fluides. 

Principaux avantages observés :

  • Réduit le temps de préparation de modèles, ce qui laisse plus de temps pour une analyse approfondie des résultats; 
  • Fournit plus de renseignements à l’étape de la définition du concept; 
  • Accélère le processus de développement des produits; 
  • Permet de commercialiser des produits de qualité supérieure; 
  • Génère des économies importantes. 

Une analyse CFD réalisée par PolyWorks offre une série d’avantages impossibles à obtenir par des simulations physiques en soufflerie, en plus de permettre aux experts de l’industrie automobile de mieux comprendre le comportement de l’écoulement des fluides.

Produit vedette

La solution de modélisation et de rétro-ingénierie qui permet une véritable interopérabilité entre les modèles polygonaux numérisés et les applications de CAO/FAO.