Creazione di dati di superficie per simulazioni di volo computerizzate
Lockheed Martin rispetta scadenze ravvicinate per la scansione 3D e l'elaborazione delle nuvole di punti di un aereo da caccia degli anni '50.
Nel 2005, l'unità Missiles & Fire Control di Lockheed Martin si è fatta incuriosire dall'aerodinamica di un aereo da caccia svedese di 50 anni fa, il Saab A-35 Draken. Gli esperti di aerodinamica della LM M&FC avevano bisogno di una mappa di dati dell'aeromobile molto accurata, in grado di essere importata negli strumenti di analisi ingegneristica per ottenere prestazioni aerodinamiche reali.
Erano necessari dati di superficie completi e accurati dell'intero velivolo, oltre a scansioni ad alta risoluzione delle armi e dei vani armamenti. Lockheed Martin si è rivolta ad Exact Metrology per le capacità di scansione che avrebbero dovuto generare dati di superficie da inserire nelle simulazioni di volo computerizzate.
I dati erano necessari per assicurare che i sistemi di lancio sopravvivessero negli ambienti di combattimento del 21° secolo. Gli appaltatori del settore aerospaziale come Lockheed Martin sono alla continua ricerca di modi per mitigare gli elevati costi dei test. Una possibile soluzione è l'utilizzo di un'attività commerciale anziché un impianto di collaudo militare e di mezzi digitali anziché fisici.
La sfida
- Acquisire il profilo 3D di un aereo a grandezza naturale di 50 piedi di lunghezza con un'apertura alare di 31 piedi
- Fornire rapidamente le superfici NURBS al software di simulazione
- Dati di processo ottenuti da scanner ad alta e bassa risoluzione
Le grandi sfide di scansione e digitalizzazione sono state tre:
- Velocità: Lockheed Martin aveva fretta: aveva dovuto affrontare 90 giorni di elaborazione continua dei dati durante le simulazioni di volo. I dati iniziali delle superfici erano necessari entro una settimana, ed Exact Metrology ci è riuscita.
- Dimensioni del modello: Il Draken era un modello enorme da digitalizzare. L'aereo è lungo oltre 50 piedi con un'apertura alare di 31 piedi e un timone alto quasi 14 piedi. Per ridurre al minimo le dimensioni del file, sono stati utilizzati due tipi di scanner: uno scanner ad alta risoluzione (Konica-Minolta Vivid 910) per le aree altamente dettagliate e uno scanner a bassa risoluzione (e più veloce) (Leica Cyra2500) per le superfici piane.
- Flessibilità: Exact Metrology aveva bisogno di una soluzione software in grado di elaborare i dati ottenuti da scanner ad alta e bassa risoluzione.
Per affrontare queste sfide, Exact Metrology si è affidata a PolyWorks®, la soluzione software leader per l'elaborazione di nuvole di punti offerta da InnovMetric Software.
La soluzione
Scegliere la squadra giusta sul campo
Exact Metrology ha ottenuto la commessa grazie alla sua esperienza unica nella scansione a lungo e corto raggio. Ha anche aiutato il fatto che Exact Metrology fosse in grado di reagire immediatamente.
Aveva ricevuto la chiamata di Lockheed Martin una settimana prima del Giorno del ringraziamento (2005). Matt Cappel, dirigente di Exact Metrology, e un operatore di scanner avevano preso un aereo per Los Angeles tre giorni dopo. La scansione è stata completata in due giorni ed erano già a casa per Giorno del Ringraziamento. La scansione è stata eseguita nella località di Inyokern, nel deserto del Mojave in California. Sei dei Draken rimanenti sono stati ristrutturati e trasportati lì.
Per il progetto Draken, Exact Metrology ha dovuto elaborare rapidamente diversi gigabyte di dati di nuvole di punti in risoluzioni molto diverse, fino a 10.000x o cinque ordini di grandezza, in un unico modello CAD. Nel lavoro ad alta risoluzione, Exact Metrology ha raccolto 266 nuvole di punti con una media di 250.000 punti cadauna. Si è trattato di un lavoro ravvicinato, a corto raggio, in cui sono state catturate immagini di circa due metri quadrati, utilizzando uno scanner Minolta Vivid 910.
Le scansioni a bassa risoluzione sono state effettuate con un Cyra2500 di Leica Geosystems. Per queste scansioni, i tecnici hanno raccolto circa 20 milioni di punti. "Era sufficientemente preciso anche per le forme aerodinamiche più piccole, tuttavia non così alto in risoluzione da acquisire dati non necessari, come le teste dei rivetti e i punti di giunzione", ha spiegato Cappel. "Il lavoro a bassa risoluzione è stato per noi più che altro un lavoro di rilevamento".
Dopo tutte le scansioni e la digitalizzazione (circa 250 scansioni ad alta e bassa risoluzione che raggruppano 4,6 gigabyte di dati), alla fine alla Lockheed Martin è stato consegnato un file non compresso relativamente piccolo di 200 megabyte (MB).
Allineamento delle scansioni
Per allineare le 260 scansioni in un unico modello è stato utilizzato il modulo PolyWorks IMAlign. La tecnica di allineamento di PolyWorks non richiede l'uso di riscontri o bersagli sul pezzo. Viene utilizzata invece la forma geometrica delle scansioni stesse per allinearle l'una all'altra. "Il fatto di non aver dovuto usare riscontri sull'aereo ha facilitato notevolmente il processo di scansione", ha spiegato Cappel.
Modello poligonale
Una volta allineate le scansioni, il modello di nuvola di punti risultante è stato trasformato nel modulo PolyWorks IMMerge in un modello poligonale in formato STL (Stereolithography Tessellation Language). PolyWorks crea una mesh poligonale (triangoli) adattata alla curvatura della superficie, conservando un'alta risoluzione attraverso i bordi e i raccordi, creando contemporaneamente triangoli più grandi nelle aree piane. Alcuni pacchetti software di simulazione possono elaborare file STL; tuttavia il sistema utilizzato da Lockheed Martin M&FC non li supportava. Era necessario un file utilizzabile in CAD.
Costruzione di una rete di curve
Per creare un modello utilizzabile in CAD, PolyWorks calcola una rappresentazione matematica delle superfici chiamate NURBS (spline B razionali non uniformi) sul modello poligonale. Prima di calcolare le superfici NURBS, viene costruita una rete di curve sul modello poligonale, per determinare dove devono essere adeguate le superfici. PolyWorks mette a disposizione strumenti automatici e manuali per creare la rete di curve. Le curve delle entità possono essere estratte con un semplice clic utilizzando gli algoritmi di estrazione di PolyWorks. E la rete di curve può essere affinata manualmente con tecniche che richiedono solo un paio di clic da parte dell'utente.
Superfici NURBS
Le superfici NURBS sono state quindi adeguate automaticamente alla rete di curve. Queste superfici sono state esportate come file IGES o STEP nel sistema di analisi della Lockheed Martin. I risultati finali hanno soddisfatto i requisiti di Lockheed Martin in termini di precisione, dimensioni del file e numero di patch.
PolyWorks genera superfici NURBS che funzionano veramente bene in CAD.
Tre fattori hanno contribuito notevolmente alla qualità delle superfici NURBS:
- L'alta qualità del modello poligonale di PolyWorks alla base delle superfici NURBS.
- La capacità di determinare le curve critiche delle entità durante la costruzione della rete di curve e vincolare la creazione delle superfici NURBS a queste curve critiche.
- La possibilità di utilizzare giunzioni a T durante la creazione della rete di curve, il che garantisce un layout delle patch più logico.
Vantaggi
Dalla scansione ai risultati finali, Exact Metrology ha impiegato due settimane e mezzo per acquisire, modificare e formattare l'enorme quantità di dati scansionati del Saab A-35 secondo i requisiti di Lockheed Martin. "Trattandosi di più gigabyte, è un lavoro molto rapido", spiega Cappel. Si stima un risparmio dal 67% all'80% nel tempo di acquisizione dei dati e del 50% nel tempo di elaborazione.
“Tutte le persone della Lockheed con cui abbiamo lavorato ci hanno detto di essere assolutamente entusiaste della qualità e della completezza dei dati. Non ci sono stati problemi o riavvii, con i conseguenti rischi di rovinare il programma della simulazione. Gli specialisti applicativi di InnovMetric ci sono stati di grande aiuto. È stato come avere un tecnico in più nel nostro staff, che ci aiutava a superare i punti difficili". Matt Cappel, dirigente presso Exact Metrology
Vantaggi quantificabili:
- L'intero velivolo, con ogni superficie esterna, è stato scansionato e digitalizzato in due giorni solo da due persone. Altri metodi avrebbero richiesto da due a quattro volte più tempo, quindi con un risparmio dal 67% all'80% nel tempo dedicato all'acquisizione dei dati.
- Solo PolyWorks poteva essere tanto affidabile da gestire con precisione 4 gigabyte di dati. Diversamente, il file avrebbe dovuto essere suddiviso in più parti, con ulteriori passaggi per combinare e assemblare i dati, raddoppiando e possibilmente triplicando il tempo di elaborazione.
- I pacchetti della concorrenza non erano neanche lontanamente così veloci, e il tempo era un fattore essenziale. PolyWorks ha fatto risparmiare circa due settimane rispetto a programmi meno efficienti.
- Notevoli risparmi sui costi in termini di simulazione computerizzata anziché test fisici in galleria del vento.
Il futuro
Come Lockheed Martin ha spiegato a Exact Metrology, l'intento del progetto Saab A-35 era ottenere una migliore comprensione dell'aerodinamica di un potenziale velivolo di prova da una società commerciale, e questo obbiettivo è stato raggiunto.
L'aerodinamica del Draken era rivoluzionaria per l'epoca, ed è ancora impressionante oggi, mezzo secolo dopo. Il Draken era stato progettato:
- Per decolli e atterraggi corti in piccoli aeroporti vicini alle zone di combattimento.
- Per una combinazione ottimizzata di prestazioni ad alta velocità e a bassa velocità.
- Per essere riarmato tra una missione e l'altra in pochi minuti.
- Per essere imbullonato in modo tale che i quattro segmenti dell'aereo potessero essere sostituiti, inviati in manutenzione o aggiornati.
Grazie a Exact Metrology e InnovMetric, Lockheed Martin ha inserito tutti i dettagli aerodinamici nei suoi sistemi di simulazione di volo, rapidamente e a costi molto contenuti.
