Effizientes Design gegen den Strom

Gegründet im Jahre 1992 beschäftigt sich SAM über Jahrzente mit Fragestellungen der Strömungsmechanik, Akustik und Strömungsmaschinen in Forschung und Lehre und ist damit ein notwendiger Bestandteil des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik an der Technischen Universität Kaiserslautern.

Die Arbeitsbereiche des Lehrstuhls lassen sich in drei Gruppen einteilen; Lehre, Forschung und Industrieprojekte. In der Lehre geben die Mitarbeiter des Lehrstuhls ihre Kenntnisse an Studierende weiter. Durch die drei Bereiche und deren Interaktion wird eine grundlagen- und zugleich praxisorientierte Ingenieurausbildung ermöglicht, eine grundlagenorientierte Forschung realisiert und ein Zusammenwirken von Industrie und Forschungseinrichten angeregt.

In einem Windkanal werden die aerodynamischen Eigenschaften von Objekten untersucht und vermessen. In der Industrie werden Windkanaluntersuchungen besonders an Flugzeugen und Autos durchgeführt. Während bei Autos hauptsächlich ein niedriger Luftwiderstand erzielt werden soll, spielt bei Flugzeugen der Auftrieb die wesentliche Rolle. Da ein Flugzeug nicht in Originalgröße im Windkanal untersucht werden kann, werden maßstabsgerechte Modelle verwendet und im Windkanal untersucht. Jedoch sind diese Kosten auch recht hoch und benötigt auch viel Aufwand. Um beliebig und schnell Untersuchungen an bereits bestehenden oder auch zu entwickelden Flugzeugen durchzuführen wäre in dem ersten Schritt ein dreidimensionales Simulatinssystem ideal, da mann nicht bei allen kleinen Änderungen und Versuchungen gleich ein neues Modell für den Windkanal herstellen muss. Mite einen dreidimensionalen Flugzeugmodell kann mann nicht nur enorm Zeit und Arbeitskraft sparen, sonderen auch gleichzeitig mit einem Windkanal vielfältige Versuchungen leicht und konstengünstig durchführen.

Zu Lehrzwecken rüstet der Lehrstuhl jüngst seinen vorhandenen Windkanal mit einem Flugzeugmodell aus, um Laborversuche an einem Realobjekt durchführen zu können. Als Spezialist für die präzise Erfassung des Flugzeugmodells wurde das Unternehmen sigma3D beauftragt. Sie sollen für SAM ein für den Simulationssystem passensen 3D-Flugzeugmodell erzeugen. Das von sigma3D erzeugte Ergebnis sollte neben der aktuellen Form des Flugobjekts für die Rechnersimulation und Strömungsanalyse parallel die Versuche mit der numerischen Strömungsberechnung vergleichbar machen.

Die Ingenieure von sigma3D wählten für diese Aufgabe die leistungsstarke Scan-zu-CAD-Softwarelösung XOR des Anbieters Rapidform aus. Die dadurch erreichbare vereinfachte sowie beschleunigte Erstellung parametrischer CAD-Modelle übersetzt die Daten in ein plausibles Konstruktionskonzept und ein interaktives erfahrbares Interface. Das präzise Ergebnis erzeugt ein optimales Simulationsmodell, welches der Lehrstuhl SAM für seine exakten Prüf-, Berechnungs- und Auslegungsverfahren benötigt.

Das Flugzeugmodell in den Ausmaßen 500 mm x 500 mm x 350 mm wurde mit einer optimalen Messgenauigkeit im Ergebnis besser als 0,1 mm erfasst. Damit die Anforderungen an den Flugkörper im Windkanaleinsatz erfüllt werden, wurde der Fokus auf das Trag- und Leitwerk gelegt. Das Flugzeugmodell wird mit einem FARO Laser Scanarm vermessen. Das Messsystem ist ein portabler 7 Achs Messarm mit adaptierter Laser Line Probe. Mit dem Scanarm wird berührungslos eine Punktwolke von dem Flugzeugmodell gescannt. Auf der Basis der entstandenen Punktwolke wurde ein Polygonalmodell generiert und zu einem Simulationsmodell aufbereitet. Mit XOR werden diese Optimierungsschritte zusammenhängend und damit effizient in einer CAD-Anwendung bearbeitet.

Für die Erstellung eines Simulationsmodell wir das Flugzeugmodell mit liveScan in eine erste digitale Form (Punktwolke) gebracht. Im liveScan Module werden die Scannparameter optimal auf die Objektgegebenheiten angepasst. In Echtzeit werden zu gleicher Zeit Scandaten erfasst und die Ergebnisse erzeugt.

Im weiteren Arbeitsablauf erzeugt der Mesh Build-up Wizard in drei Schritten aus den rohen 3D-Scandaten ein fehlerfreies „wasserdichtes“ Polygonalmodell. Der Mesh Build-up Wizard ermöglicht in einem ersten Schritt mit der automatischen Ausrichtungsmethode die einzelnen Scanaufnahmen in ein Koordinatensystem zusammenführen. Die nächsten beiden Schritte formen mit der Detailauflösungs- (Dezimierung und Unterteilung) und Glattheitssteuerung (Glättung) aus den rohen 3D-Scandaten ein globales Polygonalmodell. Für die Ausrichtung wird das Flugzeugmodell mit dem Align Wizard in einem idealen Modellbezugsystem verschoben. Hierzu werden die geometrischen Elemente (Zylinder, Ebenen, Achse, Punkt) die für die Ausrichtung verwendet werden aus den 3D-Scandaten extrahiert. Die primäre Koordinaten-Achse ist der Rotationsvektor des Flugzeugrumpfes, die sekundäre Achse ist der Vektor des Seitenleitwerkes und der Ursprung ist der Schnitt der Rumpfachse mit der Abschlussebene des Flugzeugmodells.

Das ausgerichtete Polygonalmodell wird mit dem Optimize Mesh weiterbearbeitet und als endgültigem Simulationsmodell ausgegeben. Die Funktion Optimize Mesh vermascht das Polygonalmodell erneut und verbessert die Dreiecksflächen. Die Funktion berechnet ein engmaschiges Netz in Bereichen mit einer großen Krümmung und große Dreiecksflächen in Bereichen mit einer geringen Krümmung. Des Weiteren lässt sich die Größe des neu vermaschten Polygonalmodells anpassen und die Glattheit noch feiner modifizieren.

Am Ende waren alle Projektbeteiligten erstaunt, wie schnell die Daten für die Modellierung des Fugkörpers zur Verfügung standen. Auch der Datentransfer in die verschiedensten CAD-Systeme stellte keine Hürde da. Nun kann der Lehrstuhl SAM mit dem mtr XOR erzeugten Simulationsmodell vielfältige Untersuchungen und noch nicht vorhandene Methoden ausprobieren.

Für sigma3D stehen die Präzision der Messergebnisse und der zufriedene Kunde im Mittelpunkt. Am Beispiel des Kundenauftrags des Lehrstuhls SAM unter Anwendung der Softwarelösung Rapidform XOR ist dies gleichermaßen eindrucksvoll gelungen.

Rapidform EMEA, Eschborn www.rapidform.com