Lockeed完成了1950年製戰鬥機3D掃描

公司概述

Lockheed Martine公司的導彈和砲火控制部開發、製造並支持先進戰鬥、導彈、火箭和空間系統。公司由七個項目/任務領域組成:攻擊性武器、空中防禦、反裝甲 部、海軍軍需品、砲火控制和傳感器,砲火支援和產品開發。LM M&FC公司大概有雇員10,000,其中4,000人在奧蘭多工作。
商業夥伴

Berding 3D掃描公司服務業於工業、工程和製造業,同時也面向藝術和科學,其擁有各種複雜的、成套的和型狀多樣的數據用於3D CAD設計、歸檔、工程分析和虛擬實現,以保存那些沒有數據化定義的物件,而在製造業則是為了爭取時間、成本和品質。Berding 3D位於米爾福德,俄亥俄州,近辛辛那提市。

背景

2005 年,Lockheed Martin公司的導彈和砲火控置部開始對已有50年歷史的瑞典造噴氣式戰鬥機,Saab A-35 Draken的空氣動力學性能產生了興趣。LM M&FC的空氣動力學專家需要這架飛機的精確數據圖,以導入工程分析工具獲得真實的空氣動力學性能。

Lockheed Martin需要整架飛機完整,精確的表面數據,以及機上武器和砲艙的高精度掃描數據。於是他們求助於Berding 3D的掃描能力,產生飛機的表面數據用於計算機飛行模擬。

這些數據都是為了確保武器發送系統能夠在21世紀戰鬥環境中生存。像Lockheed Martin之類的航空承包商都不斷地尋求能減少檢驗成本的方法。一種解決方案就是能用商業性活動替代軍事演習設施,用數位化方式而非實物方式。

Berding 3D掃描公司的技術經理Mat Cappel遇到了三大掃描和數位化挑戰:

速度:

Lockheed Martin面臨的形勢很緊急,因為飛行仿真需要90天連續不斷地數據處理。初始表面數據要在一個星期內獲得,而Berding 3D完成了任務。
模型大小:

對於數位化掃描而言,Drakens是一個龐然大物。這架飛機有50英呎長,31英呎的機翼跨度和近14英呎高的方向舵支架。為了使檔案尺寸最小化,採用了兩種掃描儀:一種是針對細區域的高精度掃描儀,一種是針對平坦區域的低精度掃描儀。

靈活性:

Berding 3D需要一款能同時處理來自高低精度掃描儀數據的處理軟體。

為了解決這些挑戰,Berding 3D轉而求助於PolyWorks®,InnovMetric軟體公司開發的世界領先點雲處理軟體。
商業挑戰

獲取一架長50英呎,機翼跨度31英呎全尺寸飛機的3D外型。快速產生NURBS曲面導入擬真軟體。處理來自高和低兩種精度掃描儀的數據。

解決方案

選擇該領域正確的團隊

Berding 能爭取到這個任務,是由於其擁有在長距和短距掃描方面讀一無二的經驗,這也得歸功於Berding 3D能快速應對。它在2005年感恩節前一周接到了 Lockheed Martin的電話。Cappel和一位掃描儀操作者三天後搭上了去洛杉機的飛機。掃描工作在兩天內完成,他們趕上了回家過感恩節。掃描是在加利福尼爾莫 哈書沙漠的Inyoken進行的。剩餘的Drakens中六架被打磨後飛到這裡。(Drakens在瑞典語中是"龍"的意思。)

在Saab A-35項目中,Berding 3D需快速處理幾個GB且精度差別極大的點雲數據,並將其轉換成單個CAD模型。在高精度掃描中,Berding蒐集了60片點雲,平均每片點雲有 66,000,000個點。這些都是用高精度掃描儀得到的相鄰近距點雲片,每片有兩英呎見方。

低精度掃描工作由大地掃描儀器完成。技術人員總共收集了大約兩千萬個點。”即使是最小的空氣動力造型,這個精度也足夠了,而對於諸如鉚釘頭和絞鏈點這樣的次要數據這個精度又不會顯得過高”,Cappel說到,”這種低精度掃描對於我們更像是地質勘查。”

所有掃描和數位化工作之後–大約250片高和低精度的點雲,共計4.6GB的數據—Berding最終交付給Lockheed Martin的是一份相對較小的200MB未壓縮數據。

Polyworks是組合遠程和短程數據的最佳軟體,也是能如此有效地做此工作的唯一軟體。若不能混和高精度和低精度的點雲,整架飛機的數位化可能是不能實現的。

●點雲對齊

Polyworks IMAlign模組用來將260片點雲對齊成一個模型。Polyworks的對齊技術不需要在部件上設目標點或標記。它是靠各片點雲的幾何形狀來相互對齊的。Cappel說,”不在飛機上設目標點大大改進了掃描過程。”

●三角化模型

點雲資料對齊後,將點雲資料模型導入PolyWorks/IMMerge模組,進而轉換成STL格式的三角化模型。

Polyworks基於表面曲率生成三角化網格,保留邊緣和倒角處的高分辨率(小三角網格),而在平坦區域產生較大的三角網格。

某些擬真軟體可以處理STL格式的檔案,但Lockheed Martin M&FC部門使用的軟體部支援此格式。所以需要一個在CAD軟體中可編輯的檔案。

“以我們的經驗,Polyworks是唯一一個產生NURNS曲面,且這些曲面在CAD軟體中能真正有用的軟體。由其它逆向工程軟體生成的NURBS曲面導入CAD後,必須花額外的數小時編輯和修改才能使用。”

“所有與我們合作的Lockheed成員告訴我們,他們都驚異於這些數據的品質跟完整性。擬真過程為產生尖脈衝和重啟這類足以毀掉擬真過程的現象。InnovMetric的應用工程師給了我們很大的幫助。他們就像為我們團隊配備了額外的技術員,幫助我們客服了困難。”–Mat CappelBerding 3D專案經理

軟體的NURBS曲面

為了建立一個可用的CAD模型,Polyworks在三角化模型上建立了一種面的數學表徵,稱之為NURBS。在計算出 NURBS曲面之前,要在三角化模型生成一個曲線網格,來決定哪裡需要擬合曲面。Polyworks提供自動和手動兩種方式創建曲面網格。用 Polyworks的抽取算法單擊滑鼠就可以將特徵線抽出。用戶只需點幾下滑鼠,就可以技術性手動改進曲線網格。

NURBS曲面

然後在曲線網格上自動擬合NURBS曲面。這些面以IGES或STEP格式導出到Lockheed Martin的分析系統。最終交付的文件在精度、文件大小和面片數量上滿足了Lockheed Martin的要求。

三個因素很大程度上決定了NURBS曲面的品質

●NURBS曲面下由Polyworks產生的高品質三角模型

●創建曲線網格時抽取重要特徵線的能力以及用這些關鍵曲線約束NURBS曲面的生成

●在創建曲線網格時,允許產生T型結,從而確保合理的面片分佈。

優勢

從掃描到最終交付,Berding花費了兩個半周來獲取、編輯並格式化大量的Saab A-35的掃描數據,以滿足Lockheed Martin的要求。”對於一個幾十GB數據量的化,這是一個非常快的交付周期”,Mat Cappel說道。

可量化的優勢:

整架飛機,每個外表面,僅由兩個人在兩天之內完成掃描數位化。用其它方法將花費2到4倍更長的時間,因此在數據獲取上節約了67%到80%的時間。

能精確地處理4GB的數據,只有Polyworks可以信賴。否則文件只能分成幾份,需要額外的合併和數據組合步驟,這將使處理時間倍增。

其他競爭軟體不可能這麼快,時間是最關鍵的。Poyworks比其它效率低的軟體節約了近兩周的時間。

相對於在風洞中的物理試驗,基於計算機的模擬節約了大量成本。

展望未來

正如Lockheed Martin對Berding 3D所說的,Saab A-35的項目意圖是對這一商業公司生產的待測試飛機獲取其空氣動力學方面更多的信息,這一任務已經完成。

Draken的空氣動力性能對於當時來說是具革命性意義的,且時隔半個世紀,在當今仍舊不可小覷。Draken是用來:

●在戰區附近的小規模領空執行短程起降任務

●是兼具高速和低速性能的優化組合

●在幾分鐘內重新裝備導彈

●飛機的四個組件可用螺栓連接,可以隨時替換、發送或升級

歸功於Berding和InnovMetric,Lockheed Martin目前已經掌握了Draken在飛行模擬系統中的所有空氣動力信息,且是快速並以極小的成本獲得的。

數據獲取上節約了67%到80%的時間

數據處理上節約了50%的時間

你知道嗎?

Draken的設計者給予了它潔出的空氣動力學性能,領先同時期技術幾十年,是第一架設計階段製造了全尺寸風洞模型的飛機,而不是1/8比例(或更小)風洞模型,模型越大,試驗結果越好。

是Saab在瑞典的Linkoping於1949年設計製造的。它是歐洲第一架超音速戰鬥機。幾款新型的Draken仍在服役中,都是做為民用。1955至1974年間有600多架Draken用於瑞典、丹麥、芬蘭和奧地利的空軍事業。


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