Browsing by Author "Neumaier, Moritz"

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Open Access
Automated pipe design in 3D using a multi-objective toolchain for efficient decision-making
(2024) Neumaier, Moritz; Kranemann, Stefan; Kazmeier, Bernd; Rudolph, Stephan
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Automated piping in an Airbus A320 landing gear bay using graph-based design languages
(2022) Neumaier, Moritz; Kranemann, Stefan; Kazmeier, Bernd; Rudolph, Stephan
Open Access
Automatisierte kriteriengesteuerte Exploration von Verrohrungen in komplexen 3D-Bauräumen
(2025) Neumaier, Moritz; Rudolph, Stephan (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)
Technische Produkte werden immer komplexer und gleichzeitig steigen der Kostendruck und die Notwendigkeit, immer kürzere Entwicklungszeiten bei gleichbleibender Qualität im Entwurf komplexer Produkte zu erreichen. Diese Produkte bestehen meist aus einer Vielzahl an Subsystemen, die entworfen werden müssen. Ein Beispiel für solch ein Subsystem ist das Hydrauliksystem in einem Verkehrsflugzeug mit der zugehörigen Verrohrung. In der vorliegenden Arbeit wird vorgeschlagen, eine vollautomatisierte, kriteriengesteuerte Verrohrung mittels Algorithmen umzusetzen, die gleichzeitig noch erlaubt, eine ganze Menge an möglichen Verrohrungsvarianten automatisiert zu untersuchen. Die Rohre dieser Hydrauliksysteme sind typischerweise rund und werden auf einer Biegemaschine im Rotationszugbiegeverfahren gefertigt. Daraus ergibt sich, dass diese alternierend aus Geraden und Biegungen bestehen, wobei der Biegewinkel nur auf ein Intervall beschränkt und der Verdrehwinkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Biegung frei wählbar ist. Sofern alle Anforderungen eingehalten werden, dürfen die Biegungen beliebig im Raum platziert werden. Die hier behandelte Verrohrung grenzt sich damit von der Verkabelung, bei der die Pfade als kontinuierliche Splines beschrieben werden können, und von Verrohrungen, bei denen nur diskrete Biegewinkel und/oder Verdrehwinkel zulässig sind und/oder die Positionen der Biegungen durch ein Gitter vorgegeben werden, ab. Der Beitrag dieser Arbeit besteht darin, ein generisches System für den Entwurf solcher Rohre zu konzipieren. Dies beinhaltet, dass der Bauraum aus beliebig komplexen Hindernisgeometrien zusammengesetzt werden kann. Durch diesen soll eine Vielzahl an Rohren verlegt werden können, die Mindestabstände zueinander einhalten und durch vordefinierte Halter befestigt werden können. Die Rohrverbindungen sollen sich in ihren Eigenschaften, wie dem Rohrdurchmesser, unterscheiden können. Je nach Aufgabenstellung werden unterschiedliche Rohrpfade bevorzugt, daher müssen unterschiedliche, oftmals konkurrierende Kriterien, wie die Länge und die Anzahl der Biegungen, zueinander gewichtet werden können. Der jeweilige Rohrpfad wird durch eine Entwurfsraumevaluation, die mit dem Algorithmus der Simulierten Abkühlung durchgeführt wird, festgelegt. Dafür werden die Rohrpfade iterativ modifiziert und dann bewertet. In diese Bewertung fließt die Gewichtung der Kriterien ein. Ist die Evaluation des Entwurfsraums abgeschlossen, steht für jede Rohrverbindung der finale Rohrpfad fest und kann für die weitere Nutzung im Gesamtproduktentwurfsprozess exportiert werden. Zudem können so die Rohrpfade in andere Domänen für eine weitergehende Bewertung exportiert werden. Dies wurde exemplarisch für die vollautomatisierte numerische Strömungssimulation mit OpenFOAM umgesetzt. Ist die Gewichtung der Kriterien a priori noch nicht definiert, können unterschiedliche Varianten des betrachteten Rohrsystems erzeugt werden. Dabei kann die Gewichtung manuell oder als Designstudie erfolgen. Es kann so automatisiert eine Vielzahl an Varianten auskonstruiert und dann mit maschineller Unterstützung manuell bewertet werden. Die Methodik wird an unterschiedlichen Beispielen demonstriert. Diese umfassen eine Lochplatte mit und ohne zusätzlichen Hindernissen, ein Beispiel, das den Druckverlust thematisiert, sowie Beispiele im Hauptfahrwerksschacht des Airbus A320. Diese beinhalten eine Verrohrung im gesamten Hauptfahrwerksschacht sowie die detaillierte Untersuchung eines darin enthaltenen Mounting Racks durch die Erzeugung von 144 Rohrsystemvarianten. Es wurde daraus eine Verrohrung ausgewählt, bei der 10 % der Länge und 12,9 % der Biegungen im Vergleich zur Serienlösung eingespart werden können. Zudem wurde für eine Neugestaltung dieses das Packing zusammen mit der Verrohrung betrachtet. Durch das vorgestellte Vorgehen, automatisiert viele auskonstruierten Varianten zu erzeugen und daraus dann die für die Aufgabenstellung beste auszuwählen, können bereits in frühen Entwurfsphasen gut begründbare Entwurfsentscheidungen getroffen werden. Dies zeigt auf, wie ein zukünftiger Entwurfsprozess aussehen kann, in dem der Mensch in erster Linie bewertet, und in dem unterschiedliche Domänen zusammen bearbeitet werden, um dem globalen Optimum möglichst nahezukommen. Dadurch kann in kürzerer Zeit eine höhere Komplexität beherrscht und es können bessere Produkte entwickelt werden, um einen wirtschaftlichen Vorteil zu erreichen.
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System integration based on packing, piping and harness routing automation using graph-based design languages
(2023) Dinkelacker, Julian; Kaiser, Dennis; Panzeri, Marco; Parmentier, Philippe; Neumaier, Moritz; Tonhäuser, Claudia; Rudolph, Stephan
The implementation of a fully instrumented, automated and simulation-enabled engineering software platform capable of automating the currently still manual model-based systems engineering (MBSE) design process for physical systems architecture generation and optimization in an aircraft wing is presented. The software platform uses graph-based design languages to integrate and entirely automate the mainly manual packing, piping and harness routing design. This design automation and optimization is achieved by a novel software stack of an optimization software coupled with a design compiler. It is shown that through rule-based model generation by a design compiler in the form of a design graph as a central data model, a cross-domain data consistency is achieved. This allows for automated execution and coupling of engineering tasks over several different domains such as packing, piping and routing design to converge to an optimized wing physical architecture design variant in agreement with given predetermined design constraints.
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Validation of a machine learning model for certification using symbolic regression and a behaviour envelope
(2025) Neumaier, Moritz; Anselment, Marcel; Rudolph, Stephan
Aviation is highly regulated with a strong focus on safety. If machine learning models are to be used in aviation, their correctness must be proven as part of the certification process. As the number of data points is limited in real-world applications, a new approach is needed to ensure that the behaviour between the test points is correct. Due to the complexity, it is unlikely that a method for a complete evaluation with a reasonable runtime will be found. It is demonstrated in this methodology study how, in addition to the data set, the expected behaviour of the system the model is designed for can be considered. Using domain knowledge, a specific “behaviour envelope” defines the area the model is expected to stay within. In case the model stays within the behaviour envelope, which can be mathematically evaluated, it can be ensured that the behaviour between the test points is always physically meaningful. Since the effort for the evaluation increases with the complexity, it is proposed to use symbolic regression, a method where a search procedure combines elementary functions to create a compact symbolic model. This shifts the effort more towards model creation and simplifies the subsequent validation.