Generar datos de superficie para simulaciones de
Vuelo computarizadas
Lockheed Martin cumple con un plazo ajustado para el escaneo 3D y el procesamiento de nubes de puntos de un avión de combate de la década de 1950.
En 2005, la unidad de Misiles y control de incendios de Lockheed Martin tuvo curiosidad por ver cómo era la aerodinámica de un avión de combate a reacción de fabricación sueca de 50 años de antigüedad, el Saab A-35 Draken. Los expertos en aerodinámica de LM M&FC necesitaban un mapa de datos muy preciso de la aeronave que pudiera importarse a herramientas de análisis de ingeniería para obtener un rendimiento aerodinámico real.
Se requerían datos de superficie completos y precisos de toda la aeronave, además de escaneos de alta resolución de las armas y los compartimentos de armas. Lockheed Martin llegó a Exact Metrology por sus capacidades de escaneo que generan datos de superficie para usarlos en simulaciones de vuelo computarizadas.
Los datos eran necesarios para asegurar que los sistemas de lanzamiento de armas sobrevivieran en los entornos de combate del siglo XXI. Los contratistas aeroespaciales como Lockheed Martin buscan continuamente formas de mitigar los altos costos de las pruebas. Una solución es utilizar una instalación para actividades comerciales en lugar de una instalación para pruebas militares, y medios digitales en lugar de físicos.
El desafío
- Capturar la forma 3D de un avión de tamaño real de 50 pies de largo con una envergadura de 31 pies
- Brindar rápidamente Superficies NURBS al software de simulación
- Procesar los datos obtenidos de escáneres de alta y baja resolución
Se enfrentaron tres grandes retos de escaneo y digitalización:
- Velocidad: Lockheed Martin tenía prisa porque se enfrentaba a 90 días de procesamiento ininterrumpido de datos en simulaciones de vuelo. Se necesitaba tener los datos iniciales de las superficies en una semana y Exact Metrology se los proporcionó.
- Tamaño del modelo: El Draken era un modelo enorme para digitalizar. El avión tiene más de 50 pies de largo con una envergadura de 31 pies y un timón de dirección que se eleva a casi 14 pies de altura. Para minimizar el tamaño del archivo, se utilizaron dos tipos de escáneres: un escáner de alta resolución (Vivid 910 de Konica-Minolta) para áreas muy detalladas y un escáner de baja resolución (y más rápido) (Cyra2500 de Leica) para áreas planas.
- Flexibilidad: Exact Metrology necesitaba una solución de software que procesara los datos obtenidos con escáneres de alta y baja resolución.
Para enfrentar estos desafíos, Exact Metrology recurrió a PolyWorks®, la solución de software de procesamiento de nubes de puntos líder de InnovMetric Software.
La solución
Elegir el equipo adecuado en el campo
Exact Metrology consiguió el trabajo gracias a su experiencia única en escaneo de corto y largo alcance. También ayudó que Exact Metrology pudiera reaccionar de inmediato.
Recibió la llamada de Lockheed Martin una semana antes del Día de Acción de Gracias (2005). Matt Cappel, Gerente de Exact Metrology, y un operador de escáner iban en un avión a Los Ángeles tres días después. El escaneo se completó en dos días y regresaron en casa a tiempo para celebrar el Día de Acción de Gracias. El escaneo se realizó en Inyokern, en el desierto de Mojave de California. Seis de los Drakens restantes se reacondicionan y se trasladan allí.
Para el proyecto Draken, Exact Metrology necesitaba procesar rápidamente varios gigabytes de datos de nubes de puntos en resoluciones sumamente diferentes (hasta 10,000 veces o cinco órdenes de magnitud) en un solo modelo CAD. En el trabajo de alta resolución, Exact Metrology reunió 266 nubes de puntos con un promedio de 250,000 puntos cada una. Este fue un trabajo detallado y de corto alcance que capturó imágenes de aproximadamente dos pies cuadrados, con un escáner Minolta Vivid 910.
Los escaneos de baja resolución se realizaron con un Cyra2500 de Leica Geosystems. Para estos escaneos, los técnicos reunieron alrededor de 20 millones de puntos. “Este proceso tuvo la precisión suficiente incluso para las formas aerodinámicas más pequeñas, pero no tuvo una resolución tan alta como para capturar datos innecesarios como cabezas de remaches y puntos de bisagra”, dijo Cappel. “El trabajo de baja resolución fue más como una aplicación de topografía para nosotros.”
Después de todo el escaneo y la digitalización (alrededor de 250 escaneos de alta y baja resolución que suman 4.6 gigabytes de datos), la entrega final de Exact Metrology a Lockheed Martin fue un archivo relativamente pequeño de 200 megabytes (MB) sin comprimir.
Alineación del escaneo
El módulo PolyWorks IMAlign se utilizó para alinear los 260 escaneos en un solo modelo. La técnica de alineación de PolyWorks no requiere el uso de dianas o marcadores en la pieza. En su lugar, utiliza la forma geométrica de los propios escaneos para alinearlos entre sí. “No tener que usar dianas en el avión mejoró drásticamente el proceso de escaneo”, declaró Cappel.
Modelo poligonal
Una vez alineados los escaneos, el modelo de nube de puntos resultante se transformó, en el módulo PolyWorks IMMerge, en un modelo poligonal en formato Stereolithography Tessellation Language (STL). PolyWorks crea una malla poligonal (triángulos) adaptada a la curvatura de la superficie, con lo cual se conserva la alta resolución en las aristas y los cantos redondeados mientras se crean triángulos más grandes en las áreas planas. Algunos paquetes de software de simulación pueden procesar archivos STL; sin embargo, el sistema utilizado por Lockheed Martin M&FC no era compatible. Se necesitaba un archivo que se pudiera utilizar en una CAD.
Construir una red de curvas
Para crear un modelo que se pueda utilizar en una CAD, PolyWorks calcula una representación matemática de las superficies llamada NURBS (B-splines racionales no uniformes) en el modelo poligonal. Antes de calcular las superficies NURBS, se construye una red de curvas en el modelo poligonal para determinar dónde se ajustarán las superficies. PolyWorks proporciona herramientas automáticas y manuales para crear la red de curvas. Las curvas de las entidades geométricas se pueden extraer con un clic del ratón utilizando los algoritmos de extracción de PolyWorks. Y la red de curvas se puede refinar manualmente con técnicas que solo requieren un par de clics por parte del usuario.
Superficies NURBS
Luego, las superficies NURBS se ajustaron automáticamente a la red de curvas. Estas superficies se exportaron como archivos IGES o STEP al sistema de análisis de Lockheed Martin. Los productos finales cumplieron los requerimientos de Lockheed Martin en términos de precisión, tamaño de archivo y número de parches.
PolyWorks genera superficies NURBS que realmente funcionan en CAD.
Tres factores contribuyeron en gran medida a la calidad de las superficies NURBS:
- La alta calidad del modelo poligonal de PolyWorks subyacente a las superficies NURBS.
- La capacidad de determinar las curvas críticas de las entidades geométricas mientras se construye la red de curvas y se restringe la creación de la superficie NURBS a estas curvas críticas.
- La posibilidad de utilizar uniones en T al crear la red de curvas, lo cual garantiza una plantilla de parche más lógica.
Los beneficios
Desde el escaneo hasta los productos finales, Exact Metrology tardó dos semanas y media en capturar, editar y formatear la enorme cantidad de datos escaneados del Saab A-35 según los requerimientos de Lockheed Martin. “Para un trabajo en el rango de varios gigabytes, el tiempo de respuesta fue muy rápido”, dijo Cappel. Se estima que hubo un ahorro del 67% al 80% en el tiempo de adquisición de datos y del 50% en el tiempo de procesamiento de datos.
“Todas las personas de Lockheed con las que trabajamos nos dijeron que estaban absolutamente encantadas con la calidad y la integralidad de los datos. No ha habido fallos ni reinicios, los cuales pueden destruir los cronogramas de simulación. Los especialistas en aplicaciones de InnovMetric fueron de gran ayuda para nosotros. Era como tener un empleado técnico adicional en nuestro personal, que nos ayudaba a superar los momentos difíciles .” Matt Cappel, Gerente de Exact Metrology
Beneficios cuantificables:
- Tan solo dos personas escanearon y digitalizaron la aeronave, cada superficie externa, en dos días. Otros métodos habrían tardado de dos a cuatro veces más, por lo que hubo un ahorro del 67% al 80% en el tiempo de adquisición de datos.
- Solo se podía confiar en PolyWorks para manejar con precisión 4 gigabytes de datos. De lo contrario, el archivo tendría que dividirse en varias partes, lo que requeriría pasos adicionales de combinación y ensamblaje de datos, y duplicaría o posiblemente triplicaría el tiempo de procesamiento.
- Los paquetes de la competencia no eran, para nada, tan rápidos y el tiempo era sumamente importante. PolyWorks ahorró aproximadamente dos semanas con respecto al software menos eficiente.
- Ahorros de costos muy importantes en términos de la simulación por computadora en lugar de pruebas físicas en túneles de viento.
El futuro
Como Lockheed Martin lo explicó a Exact Metrology, la intención del proyecto Saab A-35 era entender mejor la aerodinámica de un posible avión de prueba de una empresa comercial, y eso se logró.
La aerodinámica del Draken fue revolucionaria para su época y sigue siendo impresionante hoy, medio siglo después. El Draken se diseñó:
- Para despegues y aterrizajes cortos en pequeños aeródromos cercanos a zonas de batalla.
- Para una combinación optimizada de rendimiento de alta y baja velocidad.
- Para rearmarse entre misiones en minutos.
- Para atornillarse de manera que los cuatro segmentos de la aeronave se pudieran reemplazar, enviar para darles servicio o actualizar.
Gracias a Exact Metrology e InnovMetric, Lockheed Martin ahora tiene todos los detalles aerodinámicos en sus sistemas de simulación de vuelo, rápidamente y a un costo muy bajo.
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