Un rendement énergétique accru grâce à l’ingénierie par nuages de points
Aerodynamic Trailer Systems utilise le logiciel PolyWorks® pour la numérisation de formes complexes, de même que pour effectuer une analyse CFD et des essais en soufflerie de ses rétreints gonflables pour camion.
Située à Auburn, en Ohio, Aerodynamic Trailer Systems Ltd. (ATS) a conçu un nouveau produit pouvant être fixé aux portes d’une remorque commerciale, et qui donne une forme plus aérodynamique à l’arrière de la remorque. Cette technologie verte vise à réduire les émissions en améliorant le rendement énergétique des camions. Le produit, un rétreint, est un dispositif aérodynamique permettant de réduire la traînée causée par l’air circulant de manière aléatoire (turbulence) à l’arrière d’une remorque commerciale. Ce dispositif donne à la surface plane des portes arrière une forme curviligne.
Le défi
Conçu par Aerodynamic Trailer Systems, ce rétreint gonflable est fabriqué à partir d’un matériau polymère souple et très robuste. À des vitesses de croisière prédéfinies, il se gonfle et se dégonfle automatiquement à l’aide d’un système composé d’un ventilateur et de soupapes. De plus, la position dégonflée permet l’ouverture complète des portes arrière pour le chargement.
« La forme en arc unique du rétreint gonflable est très difficile à prévoir à l’aide de dessins techniques et de mesures, ce qui complique la reproduction », a précisé Jim Domo, directeur général d’Aerodynamic Trailer Systems. « Nous voulions mesurer le profil aérodynamique du dispositif. Puisque la taille importante d’une remorque de camion l’empêche d’entrer dans une installation d’essais en soufflerie, nous devions créer un modèle réduit reproduisant précisément la forme du dispositif. Nous avions également besoin d’une version numérique du rétreint afin d’effectuer une analyse informatisée de la dynamique des fluides. »
La solution
Aerodynamic Trailer Systems a communiqué avec 3D Scan IT, inc. pour discuter des solutions de rechange aux techniques traditionnelles de collecte de données. 3D Scan IT est une entreprise de métrologie et un intégrateur de PolyWorks en Amérique du Nord. Son siège social est situé à Royal Oak, au Michigan. Les techniciens de 3D Scan IT ont recommandé un numériseur sans contact à haute densité comme moyen permettant de recueillir des données et ont apporté un numériseur IScan à lumière blanche d’Imetric dans les installations de l’entreprise.
« Nous avons d’abord utilisé la photogrammétrie pour fixer des marqueurs de navigation sur la surface du rétreint, puis nous avons procédé à la numérisation complète à l’aide du système de numérisation à lumière blanche d’Imetric. Le positionnement et la photogrammétrie ont pris environ deux heures, y compris l’étalonnage du numériseur, la fixation de marqueurs sur la pièce et l’exécution de la photogrammétrie. Le processus de numérisation a pris environ trois heures », a précisé Bob Squier, président de 3D Scan IT.
La gestion des données de nuages de points accélère l’obtention de résultats
Les données ont été recueillies à l’aide de la suite logicielle PolyWorks d’InnovMetric. Au total, 62 numérisations ont été effectuées et enregistrées dans le système de coordonnées de photogrammétrie. Un recalage best-fit des numérisations selon les tolérances établies a été effectué avec le module IMAlignMC. Les numérisations ainsi recalées ont ensuite été traitées à l’aide du module IMMergeMC de PolyWorks afin de créer un modèle polygonal supprimant tous les chevauchements de données de numérisation, le tout en éliminant la texture du tissu et en réduisant la taille du fichier.
Le modèle polygonal a ensuite été transféré dans le module IMEditMC afin de retirer les marqueurs de photogrammétrie. Un modèle polygonal étanche a été créé à l’aide de la procédure d’IMEdit de remplissage des trous sur les courbes.
Numérisation du rétreint
Essais en soufflerie
ATS a voulu évaluer le rendement du rétreint en soufflerie. « L’objectif était de créer un fichier que nous pourrions utiliser dans le processus du prototypage rapide pour fabriquer rapidement un modèle réduit du rétreint à l’échelle 1/8 qui serait utilisé pour les essais de rendement en soufflerie », a expliqué Patrick Ryan, président d’ATS.
Prototype créé à partir du modèle au format STL de PolyWorks
Pour effectuer la simulation, le modèle polygonal a été envoyé à l’Auto Research Center d’Indianapolis, en Indiana. Conçue principalement pour l’essai de voitures de course, cette installation d’essais en soufflerie à veine libre et avec banc à rouleaux reproduit précisément les conditions d’une autoroute. Afin de fabriquer un modèle réduit du rétreint, les experts de l’Auto Research Center ont utilisé une machine de prototypage rapide Stratasys FDM 8000 et le modèle polygonal étanche créé par 3D Scan IT pour fabriquer la pièce à partir de couches ultraminces de plastique ABS robuste.
« Nous avions prévu d’utiliser les données des essais en soufflerie pour apporter, au besoin, des modifications de dernière minute à la conception du dispositif avant d’amorcer la production. C’est pourquoi le modèle devait être aussi exact que possible », a souligné M. Ryan.
NURBS creation process.
Analyse CFD
En plus des essais en soufflerie, ATS voulait réaliser une analyse CFD. Afin d’effectuer cette analyse, l’entreprise 3D Scan IT a préparé un modèle de surface (modèle NURBS) à l’aide du module IMEdit de PolyWorks.
D’abord, un réseau de courbes a été créé à l’aide des fonctionnalités d’extraction et de modification d’IMEdit. Les procédures d’ajustement automatique des surfaces NURBS créent les surfaces au fur et à mesure que les courbes sont complétées. Le module IMInspectMC de PolyWorks a été utilisé pour recaler le modèle sur l’ensemble des coordonnées établies pour les portes de la remorque, puisque le rétreint devait être parfaitement adapté à la zone des portes afin de ne pas obstruer les charnières.
Le modèle NURBS optimisé a ensuite été envoyé aux experts de la NASA afin qu’ils procèdent à l’analyse CFD. Le logiciel a donné un aperçu du rendement aérodynamique du rétreint gonflable en fonction de diverses conditions.
Le modèle NURBS a aussi été exporté vers la suite logicielle SolidWorks® d’ATS; il pourra ainsi être utilisé à des fins de production et de modifications ultérieures.
Les avantages
D’après MM. Domo et Ryan, le modèle de rétreint à l’échelle 1/8 créé par le processus de numérisation laser et de gestion des données de nuages de points était pratiquement une reproduction exacte du dispositif grandeur nature. « Nous étions certains d’obtenir des résultats probants lors des essais en soufflerie et de pouvoir ensuite les appliquer directement au dispositif grandeur nature », a ajouté M. Ryan.
Une réduction de la consommation de carburant pouvant atteindre 5 %
Les résultats des essais ont révélé que le rétreint pouvait permettre une réduction de la consommation de carburant allant jusqu’à 5 %. « Cela signifie une réduction des émissions et des coûts en carburant grâce à l’amélioration de la traînée aérodynamique, ce qui diminue le poids réel remorqué et améliore ainsi le rendement », a expliqué M. Domo. « De plus, nous croyons qu’en apportant quelques modifications mineures à la forme du dispositif, nous pourrions l’améliorer encore plus. » Il a ajouté que la technologie de numérisation et la gestion des données de nuages de points ont raccourci de manière considérable le temps de création du modèle. « Nous avons été en mesure d’obtenir un modèle précis en quelques jours à peine », a-t-il souligné.
Bob Squier, de 3D Scan IT, inc., soutient que cette application était unique, car l’ensemble du processus de conception et de fabrication reposait sur la numérisation et le raffinement des données de nuages de points, ainsi que sur le prototypage rapide. « Avec une approche traditionnelle de la conception et du développement d’un produit, nous n’aurions pas pu obtenir les résultats recherchés par l’entreprise. »
