挑戰:一家體育研發公司需要以高分辨率3D效果數字捕獲一系列專業場地車,來制作超流線型自行車。
解決方案:Artec Leo, Artec Space Spider, Artec Studio, Geomagic Wrap
成果:專業手持式掃描儀Artec Leo 3D捕獲了多輛場地車。這些精準3D模型包含自行車架與部件的精確幾何,在FEA和CFD分析中結合Artec Space Spider超精度3D掃描儀的3D數據,來設計表現出眾的場地自行車。
在專業騎行和奧林匹克騎行中,風阻會拖人后腿。但借助新款手持式3D掃描科技,以及前沿CFD(計算流體力學)分析、CAD技術、創新設計,英國公司Vorteq和WX-R工程師合作,制作出突破風阻的場地車,已在騎行界引起不小轟動。
Vorteq WX-R場地車
對騎手而言,高達80%的空氣阻力來自自身,剩下20%左右來源于自行車,但該比例并非一成不變。比方說,騎手身穿Vorteq緊身衣身體阻力很小,和普通騎行服相比,CdA(風阻系數x面積)大幅降低。那下一步自然就要從自行車身上動腦筋,如何使車身更簡潔。如此,節省的時間和精力不可小覷。
比如,在5小時鐵人三項的自行車賽中,流線型場地車要比普通場地車更早抵達終點。但是如何進一步提升自行車的速度,從快的那些場地車中繼續脫穎而出?
WX-R Vorteq車叉
幾十年來,場地車制造商始終致力于打造瀝青公路上的場地車,但通常情況下,他們都是基于競爭對手的設計建模的。有時會配合風洞和CFD測試。但是。他們忽略了關鍵一點:速度方程中的人類因素。騎手自身、自行車、騎行方式一起,共同作用,決定了速度。
TotalSim公司Vorteq的設計工程師多年來通過與F1等賽車運動合作,積累了大量CFD經驗,解決了棘手的工程難題,為客戶提供強大的解決方案,因此,他們決定將目光轉向自行車賽,制作全球速度快的場地車。
Vorteq Tokyo把手
項目第一階段需要捕獲一系列專業場地車,且3D分辨率要高。掃描完后,自行車3D模型將用于前沿CFD分析,并結合新風洞測試研究,包括分析騎手(自行車車主)騎行習慣的人體運動學,待一切完成后,制作成流線型場地車Vorteq WX-R。
他們需要一款能滿足所有要求的專業手持式3D掃描儀,包括無可挑剔的準確度、捕獲速度、無線操作,因此,只剩一款可選: Artec Leo,多次獲獎的無線式3D掃描儀,可捕獲中型物體,且色澤鮮艷。Artec Leo不到一分鐘即可完整捕獲一輛專業場地車,Artec 3D大使Central Scanning向Vorteq推薦并提供了這款掃描儀。
Artec Leo
Central Scanning的Alex Chung說道,“Vorteq的母公司TotalSim是英國第一家在2019年1月收到旗艦產品Artec Leo的客戶,之后,他們的成績節節攀升。作為Artec資深用戶,Vorteq很快就解鎖了Artec Leo的速度、便攜度和靈活度等優勢,改變了緊身騎行服的設計工藝,直接讓騎手坐在自行車上進行3D捕獲?,F在,他們又把思路拓展到了Vorteq WX-R項目上,這次全方位結合Leo的掃描動力和靈活性,來制作令人驚嘆的場地車。能與TotalSim和Vorteq合作創新,Central Scanning很驕傲?!?
使用Artec Leo在SSEH風洞中3D掃描騎手與自行車
Vorteq計量工程師Sam Quilter解釋了他們的掃描流程,“我們用Leo掃描了一系列自行車,獲得精準數字模型,之后在CFD系統中進行對比,找出造成風阻差異的原因,并對3D模型作出結構調整和修改,改進性能。這樣一來,我們就能取各款自行車之長,并合成一輛自行車,進行后續工作了?!?
Quilter繼續補充道,“在設計的同時,我們還在Silverstone (SSEH)的風洞中分析了騎手,了解他們如何施力,影響整輛車。這過程中會獲得大量有用的數據,這對于我們設計這輛車非常關鍵?!?
“舉個例子說明3D掃描在研發中期起到了多大的作用,我們把每位騎手的自行車都放在一個升起的裝置上,然后在曲軸處施加不同程度的負重,給車架增加一些曲率,研究車輛是如何屈伸和扭轉的。這些步驟一直重復到大負荷,來模擬踏板、曲軸、輪軸所承受的扭矩。同時,我們使用Artec Space Spider 3D掃描儀精確捕獲自行車架,并根據掃描生成偏離圖,展現車架發生彎曲的過程和位置?!?
“掃描的車架出現了明顯偏離,因為全都是碳纖維材料。向下施壓時,也會出現一定程度的彎曲。我們想對此進行量化,因為騎手反映他們喜愛自己的場地車,也想知道自己愛車的彎曲程度和抗壓能力。但是曲率太大也會損耗騎手的體力,車輪會把壓力分散到車架。我們也需要找到彎曲發生的部位?!?
Vorteq Tokyo固定車座架
Quilter和Vorteq的團隊自創了Artec Leo掃描處理工藝。過程如下,“首先把掃描導入至后期處理軟件Artec Studio中,這一過程對于自行車掃描數據而言,非常之快。然后,我們檢查數據是否完好。這一步基本不成問題,但大概檢查一下也是明智之舉。之后,我們可能要用橡皮擦擦除多余數據。再使用默認設置進行全局對準,默認設置就很適合我們的需求。
Quilter繼續補充道,“之后,我們進行尖銳融合,因為我們處理的是堅固的零部件和車架結構,如果處理人體掃描制作緊身騎行服,考慮到人體解剖結構的自然曲線,平滑融合會更合適。相比而言,尖銳融合會保留所有車模需要的復雜幾何細節。然后我們以OBJ文件形式導出到Geomagic Wrap,進行其他設計,將3D模型發送到定制CFD系統中。”
Vorteq Tokyo 4定制前輪
研發結束后,為制作自行車實體,Vorteq和英國自行車制造商Worx合作,他們曾制造過自己研發的場地車,但和Vorteq WX-R比差遠了。
Vorteq WX-R已馳騁賽場了,還將參加東京奧運。它在UCI場地自行車世錦賽的出色表現已經為騎手攬下兩枚獎牌、三項終身、兩項全國紀錄、一項亞洲紀錄。
Azizulhasni Awang在2020柏林UCI場地自行車世錦賽中騎著一輛Vorteq WX-R沖向勝利
除了制作世界快的騎行服和場地車外,Vorteq還通過Artec Leo和Space Spider掃描儀,為英國和世界各地的客戶,提供一系列自行車相關的3D掃描服務。