有了Polyworks逆向工程軟體,縮短CFD分析時間

一流的汽車製造商求助於Polyworks逆向工程軟體的三角網格處理技術來減少大 筆花費在流體動力分析。他們發現Polyworks這獨一無二的工具讓 Audi, BMW, DaimlerChrysler與Renault可以減少時間在準備CFD分析所需的三角網格模型,從原本的七天縮短到一天。

案例分享概要

傳統的方法

這裡有兩種傳統的方式來產生CFD分析的物理模型

  • 方法1:

    • 空氣動力模擬是利用風洞設備來測量油土模型
  • 方法2:

    • 利用3D掃描儀將油土模型數位化
    • 利用逆向工程軟體從數位化的油土模型建構曲面
    • 將曲面匯入到CAD軟體做修整
    • 利用CAD軟體讓曲面更完美後,轉成三角網格資料
    • 將三角網格資料匯入到CFD軟體做分析

傳統方式的缺點

  • 方法1:

    • 物理風洞測試設備非常少並且昂貴– 測試非常耗時
  • 方法2:

    • 一個完整的流程需要七天來產生CFD軟體可接受的模型。
    • 逆向曲面的流程需要2~3天。
    • 一個完整的流程相當昂貴,而且需要許多不同的軟體系統來完成。
    • 這個繁雜的步驟常常需要很多不同部門的工程師,造成整個工作流程複雜化。
    • 除此之外,模型經過不同的系統會增加失去精度的風險。

 

Polyworks逆向工程軟體的方法

Polyworks提供一個快且直接的方式:

  • 利用3D掃描量測設備將油土模型數位化
  • 得到的點雲資料在Polyworks中進行快速的對位與三角網格化,產生一筆三角網格模型
  • 所有的模型修整都由Polyworks來處理,包括了:
    • 特徵曲線重新建構
    • 移除不需要的細節
    • 匯入CAD曲面
    • 三角網格的減少與優化
  • 將三角網格模型直接匯入到Exa’s PowerFlow®軟體做空氣動力的模擬分析

 

使用Polyworks逆向工程軟體的優點

  • 一整個流程只需要一到兩天,相較其他的方式需要七天以上。
    > 更快速的產品開發
  • 一個更快的CFD分析流程允許工程師可以分析更多的模型,創造了更多設計的可能性。
    > 提供概念設計時更多的資訊
  • 模型的修改可以直接在Polyworks工作環境中來完成– 不需要其它額外的軟體系統。
    > 減少費用支出
  • Polyworks的三角網格已經符合CFD的需求– 工程師的寶貴時間花在結果的分析而不是資料收集與修改。
    > 更有效率的CFD分析

 

案例研討

流體動力分析在世界的進化

液體流動分析是研究像空氣、液體與氣體在實際物體周遭的流動,例如飛機的葉片、汽車的車體或者是石油的輸油管路。大部份的 世界汽車製造商在他們的設計工作所面對的流體流動問題,像是氣流經過汽車外觀表面造成的上升力、拉力、下壓力與摩擦力。代表性地,傳統流體動力分析是利用 風洞測試,一個昂貴與諸多操作的設備,需要一個受過良好訓練的技術人員。

新的3D數位技術得到一個進化,讓流體流動分析開了一扇大門,走向”數位風洞測試”。由非接觸量測設備所截取的一筆百萬點的數位點資料做流體流動模擬,重現典型的風洞測試分析只需要少量的費用與時間。

 

Polyworks逆向工程軟體實現了數位風洞分析

為 了執行強大的數位風洞分析,像Exa’s Power-Flow®CFD軟體所需要三角網格模型,嚴格要求網格的精度、邏輯性、尺寸等等。不久之前,需要經過許多的步驟做準備,才能得到CFD分析 所需的模型,這需要花上七天以上的時間。首先,數位化點雲資料必須使用逆向工程軟體轉成自由曲面。得到的曲面匯到CAD軟體,經過許多的編輯操作,像是特 徵重建與移除不需要的細節。然後這個CAD模型必須三角網格化需要使用其它軟體,為了重新建構網格模型。大部份的時間,這個三角網格化模型需要其它的修 改,因為CFD分析只能接受100,000個以下的三角網格。

“Polyworks提供一個直接的方法,大幅的改變這個準備工作並且優 化CFD分析所需的三角網格模型” Dr. Hans-Peter Duwe這樣說,他來自德國的Duwe 3D 軟體公司。Polyworks提供一個各種不同的三角網格編輯工具,允許我們可以做重建特徵曲線,移除不必要的細節特徵與創造一個封閉的網格模型,讓模型 可以直接進入Exa’s PowerFlow軟體。所有的操作只需要藉由一套軟體,這樣可以有效率的減少時間與流體流動分析的費用”他這樣接著說著。

 

傳統方法與Polyworks方法比較

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Polyworks進步的三角網格編輯工具讓你直接產生CFD所需的模型。

 

Polyworks所提供完整工具優化汽車的三角網格模型

產生三角網格模型

    • 汽車設計者使用油土或者其他類似的材料創造一個模型。原型車子的尺寸有可能是1/2、1/4、1/10的比例縮放
    • 油土模型利用3D掃描儀、或其他數位量測設備數位化
    • 多筆的掃描資料接著利用攝影原理做對位或者使用Polyworks獨特的最佳擬合方式,快速的將多筆點資料利用物體的幾合特徵做定位(小物件時使用)
    • 對完位的點資料送到Polyworks進行網格化處理,一筆高精度的三角網格模型被產生,約500,000到1000,000個三角網格,公差範圍在0.01~0.03mm。
xk1sdeDy39TGSetT8GqmczViDCqFH1k39B2XD0eVZzRewUCe_Tc2DKgFd0YaOC8rgBDkWHCZfldZUIm9Q6qIoHDDLylWL020ZEucsZmotDK5_UBoSsw
數位點雲資料進行三角網格化後的資料

修整成CFD用的三角網格模型

  1. 重建特徵曲線

模型中最影響空氣流動一個的重要參數就是模型的特徵曲線。自從3D掃描量測設備不能精準擷取到尖銳的角落,重建的編輯工作需要被執行。Polyworks 提供一個強大的工具可以偵測與追蹤特徵曲線,並且擬合出最佳的理論尖角。在理論尖角的曲線被截取後,他們可以延伸與相交的方式來創造尖角。

vvVgJ8_mjVvIJsEU44dyyj95K9tnTbB1Q7dbNByZ6DXEZvNMJJ76tD6Q1Zs84GcVs-lMSNu-fA0xhmj7sSqeihEJGeSuuu1TSv-VicWl7SDH_BGKX0s1- 三角網格處理前kMO0jIdIazxanI_7XnlemNiBt9YaUWw2nzjwM4_G3a1Le0JjCyjf9eUun0lp3SGEmDlB5OBmKE22Rqec6MKbyu8LL4HGWtq7PQ11gE46rOauDyB0N2A2- 運算出理論尖角的曲線
pnKrcgg6AVbZBctoin4LJ7GkrozDopep4Zm6I9Vs783JPBZsKnoDMSHENw83Q-NDe9sFdJkAFve1ObqmjVFMDB7c97Bg_927FBVHu4TJSYst8SGZQ9M3- 將多條曲線做相交處理
htuwttz1LCYH0dkaYBXw9fQRhU1wQowFa5sTr7yoLzvk35-bfWOVV39xM-7HL2O2o5hHAfM04r5eJ1yLcqsKLNO7QK2az2LnYn16TMz3sRhcMZdrvyU4-曲線與轉角插入到模型中,產生一個完美的尖角與轉角

產生一筆完整並且密封的三角網格資料

這裡介紹產生一筆完整且密封模型的流程:

    • 填補模型的破洞
      • Polyworks逆向工程軟體提供多種不同的補洞工具來封閉三角網格模型的表面。有很多的洞小且複雜,使用者可以依賴自動補洞方式讓三角網格依照外觀,平順的將三角網格填補。
    • 為了一些大且複雜的破洞,使用者可以創建一個Bézier曲面或者是NURBS曲面在網格上面,然後插入三角網格化的曲面,這樣可以順著物體的曲率變化。
    • 刪除模型上不必要的特徵:
      • 這個操作的用意是為了三角網格的數目盡可能的減少,CFD軟體像是Exa’s PowerFlow最佳的三角網格數在100,000個。為了減少三角網格的數目,使用者移除掉模型在太細節部分上不必要的三角網格,像是溝槽、空力配件等。
    • 使用者可以使用Bézier曲面或者NURBS曲面來重建這些區域的三角網格
e8o3BxTmC5s8Xjm8Nl5jgKM5wuXIAAhvYpdOVsYxnhrNWyKTe7CtusAAlXu9hXidmZuruQIUJK5hdNOLn6Wby2cvuEEJonKfv5wVsGfxmZt74ro-hb41- 一條曲線被定義並且插入到保桿的空氣配件POYTjVEk1tYSs7W5B_xSq1J8FNWCDfFJhTV8b5kax4_Mb-qvPSM92vPDd0s29TNdK1U1cpGRCTDbuXtwauSezthYSiNGrI684PdnETMiEX1KQtLe4R02- 該曲線的區域內的資料選取起來並且刪除
26Lj3RmbUhA573RtPAX9lhF_KfzLxUbzB_JazmCXn8JsuSIw15nKC5DiyhJFdwEKyVq4_wbIkAbBdyeDgvDdxx-GYkE3tCla4gv1FsOCeZPu4i2_kv83- 一筆Bézier曲面按照點資料洞的周圍趨勢擬合而成

 

vAE4eR5DxjhCQW2A0ahmf-EV1mtiIG_XjWac9noNlgGGW_vr9gYo6wyRi4XgCdfNVfIK3CaqO4uJuAGaEU3XauJc3fYrIPjmPmYySFCUhh9bf-uCkbI4- 然後將該曲面三角網格化,插入到點資料之中,

得到補好洞的三角網格模型

插入CAD曲面

    • 可以加入已存在的CAD模型零件,像是汽車底盤、車輪、擋風玻璃、車窗與車燈。
    • Bézier曲面與NURBS曲面可以被使用來填滿這些區域在沒有圖檔的時候。
444ca5m5njmLgiPtSoNUkvTdOIpZ1Y46oyH1z210sJmdNbTHyULZcp-3kMtLPQJmQWqaiBFHnT8EDunRzTxfe7S8IHAwK6oSSkkHiZDrlKyGB1mVlVQ1- 一條車窗的邊界線被截取出來EMx5sEDG3EfbtjbSPh-fS0eiF6Nkd1JUt6EbgcSQ-sCA1JdxFdYGB1XpRlW36gRWSptDC6tV887297Bb1n6ehJktTxb0YkA0tWhuwvmDqQ5rf0pkoYI2- 曲線區域內的資料被選曲然後刪除
QB1KCN9GSE7F1S8CCgbN0jDgIhjNX7GlWczDOEuLiXRy3DkGlTQKke_040Hlp4K_5Ev0hsg5iJp6-evgz51gjNknq1OKua-O8zIC0VLNRN9I11u2COQ3- 一筆三角網格化的CAD曲面被匯入ZmZNt8PimFcpc1yPfUGlViuXEVHXRppDxllnq2YSQ8x3LqJEpOqwdmVbY7j1eC21aXV2PVMOw9XFiw_061BCVuy5yasqUb9i1h3t7cvbOLa8AX_du-84- 將CAD與原始點資料之間的縫做縫補,得到封閉的點資料

減少三角網格的數目並且優化三角網格的方向性

Polyworks逆向工程軟體的三角網格處理技術,讓我們得到一筆”智慧”的三角網格模型,保留高解析度的尖角並且在趨勢平緩處較大的三角網格部分。為了遵守Exa PowerFlow的約束要求,一筆三角化網格必須:

    • 100,000個左右的三角網格
    • 不包含任何底長度與高度比例不好的三角網格
    • 三角網格的方向性必須依照物體的曲率變化

Polyworks提供進階的技術來準備模型所需的一些需求,使用者可以:

    • 指定將三角網格數目減少到一特定數字。
    • 使用一個最大邊界長度來防止產生太大的三角網格,造成不好的三角網格長度比例。
    • 指定一個尖角的偵測角度,防止特徵線失真。
    • 要求一筆網格資料利用優化演算法讓三角網格對位依照外觀曲率變化。
TV219BnWD7VxkRKJurKBV_yidWvXO6TI4PXHY6RZn0_2LL2fuKqmUbIbKx8casqjBge6gOqulAXVt-DDaTVjQ4vvvxxnWIa9bnC8PBuWFtyUm1MIUIk在編輯1,000,000三角網格模型的優化與減化之前_cQkEFAYSjlWlMSr8ovWJ3NyPpsW3sY9Q7iL3JZl2XjcmrdNaEGbEmFkJeYZ-E5Ed_DZpEEeVK-vMF28fr1ZCFN4aJqlYNGdih-s1mZAMn5aYJ2Afig得到100,000個三角網格的三角網格資料,並且依照物件的曲率變化

前往Polyworks逆向工程軟體的下一階段 – CFD分析

最 後,一筆Polyworks優化的三角網格模型被匯出成一筆STL資料到Exa’s PowerFlow做CFD模擬分析,PowerFlow將三角網格模型轉化成立方塊為元素的資料來形容實體曲面,並且計算粒子在實體表面如何移動與碰撞 的即時狀態。一個PowerFlow CFD分析經由Polyworks的幫助下得到一連串的好處,並且不需要借助物理風洞測試分析,並且提供汽車工業專家對流體流動行為有史無前例的洞察 力。

使用Polyworks優化CFD分析的優點:

  • 減少模型的準備時間,使我們得到更多時間來得到更好的分析結果
  • 提供更多的資訊在概念設計時
  • 讓更快速的產品開發開了一扇大門
  • 帶來非常高品質的產品給市場
  • 減少主要的支出費用

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