Audi, BMW, DaimlerChrysler และ Renault

การปฏิวัติโลกแห่งการวิเคราะห์อากาศพลศาสตร์ของไหล  

Audi, BMW, DaimlerChrysler และ Renault หันมาใช้ PolyWorks® เพื่อลดเวลาในการวิเคราะห์ CFD ได้สูงสุดถึง 83%  

ผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่หันมาใช้เทคโนโลยีการสร้างแบบจำลองโพลิกอนของ PolyWorks ที่ช่วยลดต้นทุนการวิเคราะห์อากาศพลศาสตร์ของไหลได้อย่างมาก มาหาคำตอบว่า เครื่องมือที่แตกต่างของ PolyWorks ช่วยให้ Audi, BMW, DaimlerChrysler และ Renault ร่นระยะเวลาที่ใช้ในการจัดเตรียมแบบจำลองโพลิกอนที่พร้อมสำหรับการวิเคราะห์ CFD จาก 7 วันเหลือเพียงวันเดียวได้อย่างไร 

การวิเคราะห์การไหลของของไหลคือการศึกษาว่าของไหล เช่น อากาศ ของเหลว และก๊าซเคลื่อนที่เข้าหาและเคลื่อนที่รอบ ๆ วัตถุแข็งอย่างเช่น ปีกเครื่องบิน ตัวถังรถยนต์ หรือท่อปิโตรเลียมอย่างไร ผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ทั่วโลกเผชิญกับปัญหาการไหลของของไหลในงานออกแบบ เช่น การไหลของอากาศบนพื้นผิวรถยนต์ที่มีการวัดแรงยก แรงลาก การหันเห และแรงเสียดทาน โดยทั่วไปแล้ว การวิเคราะห์อากาศพลศาสตร์ของไหลแบบเดิมจะอาศัยการทดสอบอุโมงค์ลม ซึ่งเป็นวิธีการที่มีราคาแพงและใช้เวลานาน อีกทั้งยังต้องใช้นักเทคนิคที่ผ่านการฝึกอบรมมาเป็นอย่างดีด้วย  

การเข้ามาของเทคโนโลยีแปลงข้อมูลดิจิทัล 3 มิติได้ปฏิวัติวิธีการวิเคราะห์การไหลของของไหล โดยการเปิดประตูสู่ "การทดสอบอุโมงค์ลมแบบดิจิทัล" เครื่องแปลงข้อมูลดิจิทัล 3 มิติจะจับจุดข้อมูลนับล้านมาเป็นแหล่งข้อมูลที่ยอดเยี่ยมสำหรับการจำลองการไหลของของไหลแบบดิจิทัล และจำลองการทดสอบอุโมงค์ลมทั่วไปขึ้นมา โดยใช้เวลาและค่าใช้จ่ายเพียงเสี้ยวเดียวเท่านั้น  

ความท้าทาย 

ในการวิเคราะห์อุโมงค์ลมดิจิทัลที่ทรงประสิทธิภาพนั้น ซอฟต์แวร์ CFD เช่น Power- Flow® ของ Exa ต้องใช้แบบจำลองโพลิกอนที่ตรงตามข้อกำหนดที่เข้มงวดในเรื่องของความถูกต้อง ทอพอโลยี ขนาด ฯลฯ ย้อนกลับไปเมื่อไม่นานมานี้ การเตรียมแบบจำลองสำหรับการวิเคราะห์ CFD ต้องอาศัยการทำงานหลายขั้นตอน ซึ่งอาจใช้เวลาทำงานสูงสุดถึง 7 วัน ขั้นตอนแรก ต้องแปลงพอยต์คลาวด์ดิจิทัลให้เป็นพื้นผิว NURBS โดยใช้ระบบซอฟต์แวร์วิศวกรรมย้อนกลับ แล้วจึงโหลดพื้นผิวที่ได้เข้าสู่ซอฟต์แวร์ CAD ซึ่งจะมีการแก้ไขต่าง ๆ เช่น การบูรณะเค้าโครงขึ้นใหม่และการลบรายละเอียดที่ไม่จำเป็นออกไป จากนั้นแบบจำลอง CAD จะผ่านกระบวนการทำให้เป็นตารางโดยให้แพ็กเกจซอฟต์แวร์อีกชุด เพื่อสร้างแบบจำลองแบบตาข่ายขึ้นมา ส่วนใหญ่แล้ว แบบจำลองโพลิกอนที่ทำเป็นตารางแล้วจะต้องมีการแก้ไขอื่น ๆ อีกเพื่อให้ตรงกับเป้าหมายสามเหลี่ยม 100,000 ชิ้นที่จำเป็นสำหรับการวิเคราะห์ CFD  

"PolyWorks เสนอแนวทางที่ตรงไปตรงมา ซึ่งเปลี่ยนวิธีการเตรียมและปรับปรุงการสร้างแบบจำลองโพลิกอนสำหรับการวิเคราะห์ CFD” ดร. Hans-Peter Duwe จาก Duwe-3d ในเยอรมนี กล่าว PolyWorks มีชุดเครื่องมือแก้ไขโพลิกอนมากมาย ที่ช่วยให้เราประกอบเส้นโค้งของเค้าโครงขึ้นใหม่ ลบเค้าโครงที่มีรายละเอียดมากเกินไปออก และสร้างแบบจำลองโพลิกอนแบบปิด ซึ่งสามารถนำไปใช้ใน PowerFlow ของ Exa ได้โดยตรง การทำงานทั้งหมดนี้ทำได้ในโซลูชันซอฟต์แวร์เดียว ซึ่งร่นระยะเวลาและลดต้นทุนในการวิเคราะห์การไหลของของไหลได้อย่างมาก" เขากล่าวเสริม 

โซลูชัน

ชุดเครื่องมือครบวงจรของ PolyWorks สำหรับการปรับปรุงแบบจำลองโพลิกอนของยานยนต์ 

1. สร้างแบบจำลองโพลิกอน 

• นักออกแบบรถยนต์สร้างแบบจำลองกายภาพโดยใช้ดินเหนียวหรือวัสดุที่คล้ายกัน ขนาดของรถต้นแบบอาจแตกต่างกันไป เช่น อาจมีขนาดเท่าของจริง ไปจนถึงขนาด 1/2, 1/4, 1/10 ส่วน 
• แบบจำลองดินเหนียวจะนำไปแปลงเป็นข้อมูลดิจิทัลทั้งหมดโดยใช้เครื่องแปลงข้อมูลดิจิทัล 3 มิติ
• หลังจากนั้นการสแกนหลาย ๆ ครั้งจะถูกนำมาจัดเรียงโดยการรังวัดด้วยภาพ (Photogrammetry) (สำหรับแบบจำลองขนาดเท่าของจริง) หรือใช้วิธีการ Best-fit ที่มีเอกลักษณ์ของ PolyWorks ซึ่งจะเรียงการสแกนอย่างรวดเร็วโดยใช้เค้าโครงเรขาคณิตของวัตถุ (สำหรับวัตถุขนาดเล็กกว่าของจริง) 
• พอยต์คลาวน์ที่เรียงกันแล้วจะกลายเป็นตาข่ายใน PolyWorks เกิดเป็นแบบจำลองโพลิกอนที่มีความแม่นยำสูง โดยประกอบด้วยสามเหลี่ยม 500,000 และ 1,000,000 ชิ้น และมีค่าความคลาดเคลื่อนยินยอมระหว่าง 10 ถึง 30 ไมครอน 

2. แก้ไขแบบจำลองโพลิกอนสำหรับ CFD 

ก) การสร้างเส้นโค้งเค้าโครงขึ้นใหม่ 

หนึ่งในปัจจัยสำคัญที่สุดที่มีอิทธิพลต่อการไหลของอากาศของแบบจำลองก็คือคุณภาพของเส้นโค้งในเค้าโครง เนื่องจากเครื่องมือแปลงข้อมูลดิจิทัล 3 มิติไม่สามารถจับภาพส่วนที่เป็นขอบคมได้อย่างแม่นยำ จึงต้องมีการแก้ไขเพื่อสร้างเส้นโค้งใหม่ ซึ่ง PolyWorks ก็มีเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการตรวจจับและติดตามเส้นโค้งในเค้าโครง และปรับ Best-fit ขอบคมทางทฤษฎีใหม่เหมาะสมที่สุด โดยหลังจากแยกเส้นโค้งของขอบคมออกมาแล้ว เส้นเหล่านี้จะสามารถยืดและตัดกันเป็นมุมได้ 

ข) สร้างตาข่ายโพลิกอนที่กะทัดรัดและกันน้ำ 

ต่อไปนี้คือขั้นตอนการสร้างแบบจำลองที่มีขนาดกะทัดรัดและกันน้ำ:

• เติมเต็มรูที่เกิดขึ้นในขั้นตอนการแปลงเป็นดิจิทัล:
  • PolyWorks มีเครื่องมือเติมเต็มรูมากมายเพื่อปิดพื้นผิวของแบบจำลองโพลิกอน สำหรับรูขนาดเล็กที่มีความซับซ้อนปานกลาง ผู้ใช้สามารถใช้วิธีการเติมเต็มรูแบบอัตโนมัติ ซึ่งจะแทรกลงไปในชุดสามเหลี่ยมโค้งภายในระยะการเชื่อม 3 มิติที่ผู้ใช้กำหนด 
  • สำหรับรูขนาดใหญ่และมีความซับซ้อนสูง ผู้ใช้สามารถสร้างพื้นผิวการประกอบเบซิเยร์ (Bézier) หรือพื้นผิว NURBS ทับแบบจำลองโพลิกอน และแทรกพื้นผิวสามเหลี่ยมที่จะไล่ไปตามความโค้งของวัตถุได้ 

• การลบเค้าโครงที่ไม่จำเป็นของแบบจำลอง:
  • วัตถุประสงค์ของการดำเนินงานนี้คือการรักษาจำนวนสามเหลี่ยมให้มีน้อยที่สุด ซอฟต์แวร์ CFD เช่น PowerFlow ของ Exa สามารถประมวลผลแบบจำลองโพลิกอนที่มีสามเหลี่ยมได้สูงสุด 100,000 ชิ้น หากต้องการลดจำนวนสามเหลี่ยมลง ผู้ใช้สามารถลบสามเหลี่ยมที่ไม่จำเป็นบริเวณที่มีรายละเอียดสูงของแบบจำลองได้ เช่น ร่อง หลุมดักอากาศ ฯลฯ 
  • จากนั้น ผู้ใช้สามารถใช้พื้นผิวการประกอบเบซิเยร์หรือพื้นผิว NURBS มาสร้างโพลิกอนในบริเวณเหล่านั้นขึ้นใหม่

C) การแทรกพื้นผิว CAD

• ชิ้นส่วนจากแบบจำลอง CAD ที่มีอยู่สามารถนำไปแทรกเพื่อเติมเต็มองค์ประกอบต่าง ๆ ได้ เช่น ส่วนล่างของตัวถัง ล้อ กระจกบังลม หน้าต่าง และหลอดไฟ 
• พื้นผิวเบซิเยร์และพื้นผิว NURBS สามารถใช้เติมเต็มบริเวณต่าง ๆ ที่ไม่มี CAD ได้

3. ลดจำนวนสามเหลี่ยมและปรับปรุงการจัดเรียงสามเหลี่ยมให้เหมาะสมที่สุด

เทคโนโลยีการสร้างตาข่ายแบบอะแดปทีฟของ PolyWorks ช่วยให้สามารถสร้างแบบจำลองโพลิกอน "อัจฉริยะ" ขึ้นมาได้ โดยรักษาความละเอียดสูงที่บริเวณขอบและรอยเชื่อม พร้อมทั้งสร้างสามเหลี่ยมขนาดใหญ่ขึ้นในบริเวณที่ราบเรียบ และเพื่อให้สอดคล้องกับข้อกำหนดที่เข้มงวดของ Exa PowerFlow แบบจำลองโพลิกอนควร: 

• มีสามเหลี่ยมประมาณ 100,000 ชิ้น 
• ไม่มีสามเหลี่ยมที่มีอัตราส่วนไม่ดี (ความสูง/ฐาน) 
• มีสามเหลี่ยมที่วางทิศทางตามความโค้งของวัตถุ 

PolyWorks นำเสนอเทคนิคขั้นสูงเพื่อจัดทำแบบจำลองที่ตรงตามข้อกำหนดเหล่านี้ ผู้ใช้งานจะสามารถ:

• ตั้งค่าพารามิเตอร์การลดเป็นจำนวนสามเหลี่ยมเป้าหมายได้ 
• ใช้ความยาวขอบสูงสุด เพื่อป้องกันการสร้างสามเหลี่ยมขนาดใหญ่ที่มีอัตราส่วนไม่ดี 
• กำหนดองศาการตรวจจับขอบเพื่อรักษาเส้นเค้าโครงเอาไว้
• เรียกใช้อัลกอริทึมปรับตาข่ายให้เหมาะสม ซึ่งจะเรียงขอบสามเหลี่ยมไปตามการไหลของส่วนโค้ง