Lockheed Martin

创建飞机的表面数据以计算飞行仿真

Lockheed在严厉的期限内完成了对1950年制的战斗机的3D扫描和点云处理工作。

2005年,Lockheed Martin公司的导弹和炮灰控制部开始对已有50年历史的瑞典造喷式气式战斗机,Saab A-35 Draken的空气动力学性能产生了兴趣。LM M&FC的空气动力学专家需要这架飞机的精确数据图,以导入工程分析工具获得真实的空气动力学性能。

Lockheed Martin需要整架飞机完整,精确的表面数据,以及机上机器和炮舱的高精度扫描数据。于是他们求助于Exact Metrology的扫描功能,产生飞机的表面数据用以计算飞行仿真。

这些数据都是为了确保武器发送系统能够在21世纪战斗环境中生存。像Lockheed Martin之类的航空承包商都不断地寻求能减少试验成本的方法。一种解决方案就是用商业性活动替代军事演习设施,用数字化方式而非实物方式。

挑战

  • 获取一架长50英尺,机翼跨度31英尺的全尺寸飞机的3D外形。
  • 快速产生NURBS曲面导入仿真软件。
  • 处理来自高和低两种精度扫描仪的数据。

三大扫描和数字化挑战:

  1. 速度: 面临的形势很紧急,因为飞机仿真需要90天连续不断地数据处理。初始表面数据要在一个星期内获得,而Exact Metrology完成了任务。
  2. 模型大小: 对于3D扫描而言,Draken是一个庞然大物。这架飞机有50英尺长,31英尺的机翼跨度和近14英尺高的方向舵支座。为了使文件尺寸最小化,采用了两种扫描仪:一种是针对细区域的高精度扫描仪(Konica-Minolta的Vivid 910),一种是针对平坦区域的低精度(高速)扫描仪(Leica的Cyra2500)。
  3. 灵活性: Exact Metrology需要一款能同时处理高低精度扫描仪数据的软件产品。

为了迎接这些挑战,Exact Metrology求助于PolyWorks,这款领先的来自于InnovMetric软件公司的点云处理软件。

解决方案

选择该领域合适的团队

Exact Metrology能争取到这个任务,是由于其拥有长距和近距扫描方法独一无二的经验。这也得归功于Exact Metrology能快速应对。

它在2005年感恩节前一周接到了Lockheed Martin的电话。Exact Metrology的经理Cappel一位扫描仪操作者在三天后搭上去了洛杉矶的飞机。扫描工作在两天内完成。他们赶上了回家过感恩节。扫描是在加利福尼亚莫哈韦沙漠的Inyokern进行的。剩余的Drakens中6架被打磨后飞到那里。

在 Saab A-35 项目中, Exact Metrology需快 速处理几个 G 的精度差别极大的点云数 据,  并将其转换成单个 CAD 模型。在高 精度扫描中,  Exact Metrology搜集了 266片点云, 平均每片点云有 250,000个点。这些 都是用 Minolta Vivid 910 扫描仪得到的 相邻近距点云片, 每片有两平方英尺。

低精度扫描工作由 Leica 大地扫描系列 中的 Cyra2500 完成。技术员总共收集了 大约 2 千万个点。“即使是最小的空气动 力学道型, 这个精度也足够了, 而对于诸 如钢钉头和校链点的不重要数据这个精 度又不会显得过高”, Cappel 说道, “这种 低精度扫描对于我们更像是地质勘查。”

所有扫描和数字化工作之后-大约 250片高和低精度的点云,  共计 4.6G 的数据-Exact Metrology 最终交付给 Lockheed Martin的是一份相对较小的、200MB的未压缩数据。

点云对齐

PolyWorks IMAlign 模快用来将 260 个点 云片对齐成一个模型。PolyWorks 的对齐 技术不需要在部件上设目标点或标记。它 是靠各片点云的几何形状来相互对齐的。 Cappel 说,  “不在飞机上设目标点大大改 进了扫描过程。”

三角化模型

点云片对齐后, 将点云模型导λPolyWorks’ IMMerge 模快, 进而转换成 STL 格式的三 角化模型。PolyWorks 基于表面曲率生成三角化网 格, 保留边缘和倒角处的高分辨率(小 三角面),  而在平坦区域产生较大的三 角面。某些仿真软件可处理 STL 格式的文件, 但 Lockheed  Martin M&FC 部门使用的体 统不支持此格式。所以需要一个在 CAD 软件中可编辑的文件。

创建曲线网格

为了建立一个可用的 CAD 模型, PolyWorks 在三角化模型上建立了一种面的数学表征, 称之为 NURBS(非均匀有理B样条)。 在计算出 NURBS 曲面之前, 要在三角化 模型上生成一个曲线网格, 来决定哪里需 要拟和曲面。PolyWorks 提供自动和手动 两种方式创建曲线网格。用 PolyWorks 的抽取算法单击鼠标就可将特征线抽出。 用户只需点几下鼠标, 就可以技术性手动 改进曲线网格。

NURBS 曲面

然后在曲线网格上自动拟和 NURBS 曲 面。这些面以 IGES 或 STEP 格式导出到 Lockheed Martin 的分析系统。最终交付 的文件在精度、文件大小和面片数量上 满足了Lockheed Martin 的要求。

PolyWorks生成的NURBS曲面,真正在CAD中运行。

三个因素很大程度上决定了NURBS 曲面的质量:

  • NURBS 曲面下由 PolyWorks 产生的高质 量三角化模型。
  • 创建曲线网格时抽取重要特征线的能力 以及用这些关键曲线约束 NURBS 曲面 的生成。
  • 在创建曲线网格时允许产生 T 型结, 从而 确保合理的面片分布。

优势

从扫描到最终交付,  Exact Metrology花费了两个 半周来获取、编辑并格式化大量的 Saab A-35 的扫描数据, 以满足 Lockheed Martin 的要求。“对于一个几 个 G 大的数据量 , 这是一个非常快的交付周期”, Mat Cappel 说道。

“所有和我们一起工作的洛克希德人告诉我们,他们对数据的质量和全面性表示很兴奋和激动。” 目前还没有毛刺和没有重新启动,它可以摧毁模拟的时间表。 “InnovMetric的应用专家大大帮助了我们, 他们就像我们的技术员工一样,帮助我们克服障碍”, Matt Cappel。

可量化的优势:

  • 整架飞机,每个外表面,仅由两个人在两天之内完成扫描数字化。用其它方法将花费2-4倍更长的时间,因此在数据获取上节约了67%至80%的时间。
  • 能精确地处理 4G 的数据, 只有 PolyWorks 可以信赖。否则文件只能分成几份, 需要额外的合并 和数据组合步骤, 这将使处理时 间翻番甚至可能三番 。
  • 其他竞争软件不可能这么快, 时间是 最关键的。PolyWorks 比其他效率低 的软件节约了近两周时间。
  • 相对于在风洞中的物理试验, 基于计算 机的仿真节约了大量成本。

展望未来

正如 Lockheed Martin 对Exact Metrology 说的, Saab A-35 的项目意图是对这一商业公司产的有待测试的飞机获取其空气动力学万面更多的信息, 这一任务已经完成。

Draken 的空气动力性能对于当时来说是 具革命性意义的, 且时隔半个世纪, 在当 今仍旧不可小觑。Draken 是用来:

  • 在战区附件的小规模领空执行短程起降任务。
  • 是兼具高速和低速性能的优化组合。
  • 可在几分钟内重新装备导弹。
  • 飞机的4个组件用螺栓连接, 可以随时 替换, 发送, 或升级。

归功于Exact Metrology a和 InnovMetric, Lockheed Martin  目前已经掌握了 Draken 在飞行仿真系统中的所有空气动力学信息, 且是快速地并以极小的成本获得的。

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