Audi, BMW, DaimlerChrysler & Renault

Eine Revolution in der Welt der Fluiddynamik-Analyse

Audi, BMW, DaimlerChrysler und Renault setzen auf PolyWorks®,
um die Zeit für Strömungssimulationen (CFD-Analysen) um bis zu 83 % zu reduzieren.

Große Automobilhersteller haben sich für die Technologie zur Modellierung von Polygonmodellen von PolyWorks entschieden, um die Kosten für ihre strömungstechnischen Analysen erheblich zu senken. Erfahren Sie, wie Audi, BMW, DaimlerChrysler und Renault mit den einzigartigen Werkzeugen von PolyWorks die Zeit, die für die Erstellung eines CFD-fähigen Polygonmodells benötigt wird, von sieben Tagen auf einen Tag reduzieren konnten.

Bei der Strömungsanalyse wird untersucht, wie sich Fluide wie Luft, Flüssigkeiten und Gase in und um feste Objekte wie Flugzeugflügel, Autokarosserien oder Erdölpipelines bewegen. Die meisten großen Automobilhersteller auf der ganzen Welt sehen sich bei ihren Konstruktionsarbeiten mit Strömungsproblemen konfrontiert, z. B. mit der Messung von Auftrieb, Luftwiderstand, Strömungsabriss und Reibung bei der Luftströmung über Fahrzeugoberflächen. Herkömmliche strömungsdynamische Analysen werden in der Regel in Windkanaltests durchgeführt. Ein teures und zeitaufwändiges Verfahren, das gut ausgebildete Techniker erfordert.

Das Aufkommen der 3D-Digitalisierungstechnologie hat die Art und Weise der Strömungsanalyse revolutioniert, indem es die Tür zum „Digitalen Windkanaltest“ geöffnet hat. Die Millionen von Datenpunkten, die von den berührungslosen 3D-Digitalisierern erfasst werden, stellen eine hervorragende Informationsquelle für die digitale Simulation von Strömungen und die Nachbildung typischer Windkanaltestanalysen zu einem Bruchteil der üblichen Kosten und Zeit dar.

 

Die Herausforderung

Um eine leistungsfähige digitale Windkanalanalyse durchführen zu können, benötigt CFD-Software wie PowerFlow® von Exa polygonale Modelle, die strenge Anforderungen in Bezug auf Genauigkeit, Topologie, Größe usw. erfüllen. Vor nicht allzu langer Zeit waren mehrere Schritte erforderlich, um das Modell für die CFD-Analyse vorzubereiten, was bis zu sieben Arbeitstage in Anspruch nehmen konnte. Zunächst musste die digitalisierte Punktwolke mit Hilfe einer Reverse-Engineering-Software in NURBS-Flächen umgewandelt werden. Die so entstandenen Flächen wurden in eine CAD-Software geladen, und es wurden verschiedene Bearbeitungsvorgänge durchgeführt, z. B. die Rekonstruktion von Merkmalen und die Entfernung unnötiger Details. Das CAD-Modell musste dann mit einem anderen Softwarepaket tesseliert werden, um ein  Modell mit Netzstruktur zu erhalten. In den meisten Fällen würde dieses mosaikartige Polygonmodell weitere Modifikationen erfordern, um die für die CFD-Analyse erforderliche Anzahl von 100.000 Dreiecken zu erreichen.

„PolyWorks bietet einen unkomplizierten Ansatz, der die Vorbereitung und Optimierung von Polygonmodellen für CFD-Analysen drastisch verändert hat“, sagt Dr. Hans-Peter Duwe von Duwe-3d in Deutschland. „PolyWorks bietet eine breite Palette von Werkzeugen zur Polygonbearbeitung, die es uns ermöglichen, Formlinien zu rekonstruieren, übermäßig detailierte Features zu entfernen und geschlossene Polygonmodelle zu erstellen, die direkt in PowerFlow von Exa verwendet werden können. Alle Vorgänge können mit einer einzigen Softwarelösung durchgeführt werden, was den Zeit- und Kostenaufwand für die Fluid Flow-Analyse erheblich reduziert“, fährt er fort.

 

Die Lösung

PolyWorks Complete Toolkit zur Optimierung des Polygonmodells eines Automobils

1. Erstellen des digitalisierten Polygonmodells

• Autodesigner erstellen ein physisches Modell aus Clay oder einem ähnlichen Material; die Größe des Fahrzeugprototyps kann von voller Größe bis hin zu 1/2-, 1/4- oder 1/10-Nachbildungen reichen
• Das Clay-Modell wird mit einem 3D-Dgitalisiersystem vollständig digitalisiert
• Die mehrfachen Scans werden anschließend durch Photogrammetrie (für ein Modell in voller Größe) oder mit der einzigartigen PolyWorks Best-Fit-Methode, die die Scans schnell anhand der geometrischen Merkmale des Objekts ausrichtet (für kleinere Objekte), ausgerichtet
• Die ausgerichtete Punktwolke wird in PolyWorks vernetzt, und es wird ein hochpräzises Polygonmodell mit 500.000 bis 1.000.000 Dreiecken und einer Toleranz von 10 bis 30 Mikrometern erstellt

2. Bearbeiten des digitalisierten Polygonmodells für CFD

A) Rekonstruktion von Merkmalskurven

Einer der wichtigsten Faktoren, die den Luftstrom eines Modells beeinflussen, ist die Qualität der Formlinien. Da 3D-Digitalisiersysteme scharfe Kanten nicht mit großer Genauigkeit erfassen können, ist für die Rekonstruktion eine Nachbearbeitung erforderlich. PolyWorks bietet ein leistungsfähiges Werkzeug, das Formlinien erkennt und verfolgt und theoretisch scharfe Kanten bestmöglich einpasst. Nachdem die scharfen Kantenkurven extrahiert worden sind, können sie erweitert und geschnitten werden, um Ecken zu erzeugen.

B) Erzeugen eines kompakten und wasserdichten Polygonnetzes

Hier sind die Schritte zur Erstellung eines kompakten und wasserdichten Modells:

• Füllen von Löchern, die während der Digitalisierungsphase entstanden sind:
  • PolyWorks bietet verschiedene Werkzeuge zum Füllen von Löchern, um die Oberfläche eines polygonalen Modells zu schließen. Bei Löchern von geringer und mittlerer Komplexität können sich die Benutzer auf eine automatische Methode zum Füllen von Löchern verlassen, die gekrümmte Bereiche innerhalb eines benutzerdefinierten 3D-Brückungsabstands gleichmäßig interpoliert
  • Für größere und komplexere Löcher können Benutzer zusammengesetzte Bézier- oder NURBS-Flächen auf dem Polygonmodell erstellen und triangulierte Flächen einfügen, die der Krümmung des Objekts folgen
     
• Löschen von unnötigen Merkmalen des Modells:
  • Der Zweck dieser Operation ist es, die Anzahl der Dreiecke so gering wie möglich zu halten. CFD-Software wie PowerFlow von Exa ist für die Verarbeitung von polygonalen Modellen mit bis zu 100.000 Dreiecken optimiert. Um die Anzahl der Dreiecke zu reduzieren, kann der Benutzer überflüssige Dreiecke in stark detaillierten Bereichen des Modells entfernen, z. B. in Nuten, Lufteinschlüssen usw.
  • Der Benutzer kann dann zusammengesetzte Bézier- oder NURBS-Flächen verwenden, um Polygone in diesen Bereichen zu rekonstruieren

C) Einsetzen der CAD-Flächen

• Teile aus einem bestehenden CAD-Modell können eingefügt werden, um Elemente wie Unterboden, Räder, Windschutzscheibe, Fenster und Scheinwerfer zu füllen
• Bézier-Flächen und NURBS-Flächen können verwendet werden, um die Bereiche zu füllen, für die kein CAD verfügbar ist

3. Reduzieren der Anzahl der Dreiecke und Optimieren der Ausrichtung der Dreiecke

Die adaptive Meshing-Technologie von PolyWorks ermöglicht die Erstellung „intelligenter“ Polygonmodelle, wobei eine hohe Auflösung über Kanten und Verrundungen erhalten bleibt, während in flachen Bereichen größere Dreiecke erzeugt werden. Um die strengen Anforderungen von Exa PowerFlow zu erfüllen, sollte ein polygonales Modell:

• Etwa 100.000 Dreiecke enthalten
• Keine Dreiecke mit ungünstigen Seitenverhältnissen (Höhe/Basis) enthalten
• Dreiecke haben, deren Ausrichtung der Krümmung des Objekts folgt

PolyWorks bietet fortschrittliche Techniken zur Erstellung eines Modells, das diese Anforderungen erfüllt. Benutzer können:

• Eine Zielanzahl der Dreiecke als Reduktionsparameter festlegen
• Eine maximale Kantenlänge verwenden, um die Erstellung großer Dreiecke mit schlechten Seitenverhältnissen zu verhindern
• Den Kantenerkennungswinkel für die Erhaltung der Designlinien festlegen
• Einen Algorithmus zur Optimierung des Netzes aufrufen, der die Dreieckskanten entlang des Krümmungsflusses ausrichtet

 

Die Vorteile

Schließlich wird ein optimales Polygonmodell von PolyWorks als STL-Datei an PowerFlow von Exa für eine gründliche CFD-Simulation exportiert. PowerFlow wandelt das Polygonmodell in ein Netz aus Voxeln um, um die Festkörperoberfläche zu beschreiben, und berechnet, wie sich die Partikel in Echtzeit bewegen und miteinander und mit der Festkörperoberfläche kollidieren können. Eine PowerFlow-CFD-Analyse mit PolyWorks bietet eine Reihe von Vorteilen, die mit physikalischen Windkanal-Simulationen einfach nicht zu erreichen sind, und sie verschafft den Spezialisten der Automobilindustrie einen beispiellosen Einblick in das Strömungsverhalten.

 

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