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Aufbau und Einsatz von Entwurfssprachen zur Auslegung von Satelliten
(2014) Groß, Johannes; Rudolph, Stephan (PD Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit zeigt den Aufbau graphenbasierter Entwurfssprachen auf Basis der Unified Modeling Language (UML) im Einsatz für die Auslegung von Satelliten. Bei der Auslegung moderner Satelliten wird in einem von den Anforderungen implizit festgelegten Entwurfsraum ein Optimum gesucht. Um in Zukunft bei gleich bleibender Entwurfsqualität mehr Entwürfe in kürzerer Zeit zu geringeren Kosten untersuchen zu können, wird in dieser Arbeit der automatische Entwurf von Satelliten am Beispiel des FireSat [69] vorgestellt. Für den automatischen Entwurf wird das Entwurfswissen über die Auslegung und die Integration der einzelnen Systemkomponenten in einer Hierarchie verschiedener Entwurfssprachen modular abgebildet. Die Kopplungen zwischen den Systemkomponenten werden für die Auslegung aufgelöst und als generische Schnittstellen formuliert. Die Integration der einzelnen Komponenten zu einem Gesamtsystem erfolgt nach vordefinierten Regeln. Die gesamte Abfolge der Entwurfsregeln, vom funktionalen Vorentwurf bis hin zur Gesamtintegration mit den funktionalen Nachweisen durch die entsprechenden numerischen Simulationsmodelle, stellt eine über verschiedene, variierende Anforderungen robuste Entwurfssequenz dar. In der Vorentwurfsphase werden die Gleichungen bottom-up von Komponenten-Ebene über die Subsystem-Ebene zum Gesamtsystem regelbasiert zusammengesetzt und gelöst. Für die genauere Untersuchung bestimmter Auslegungspunkte wird automatisch eine Sensitivitätsanalyse über die wesentlichen Entwurfsgrößen des Gesamtentwurfs erstellt. Für den Vergleich verschiedener Satellitentopologien werden in dieser Arbeit über 3300 topologisch (d.h. welche der Komponenten) wie auch parametrisch (d.h. wie speziell dimensioniert) unterschiedliche Satelliten vollautomatisch ausgelegt. Daraus werden Pareto-Flächen gebildet anhand derer der topologische und der parametrische Entwurfsraum analysiert wird. Der im Laufe der Regelausführung entstehende Entwurfsgraph repräsentiert ein durchgängiges, ganzheitliches und konsistentes Datenmodell, das die Integration von funktionaler, geometrischer und physikalischer Modellierung im Format der Unified Modeling Language (UML) vereinigt. Die Umsetzung der vordefinierten Entwurfshandlungen (z.B. von Konstruktionsvorgängen wie dem Generieren von Halterungslaschen oder Taschen) für den FireSat erfolgt unter Berücksichtigung aller gültigen Kopplungen zwischen den erzeugten multi-disziplinären Entwurfsinformationen. Die Multi-Disziplinarität des FireSat-Beispiels deckt die funktionale Auslegung, die Generierung von Geometrie in CATIA V5 und OpenCascade, die Thermalsimulation mit ESATAN-TMS und die regelungstechnische Lage-Simulation mit Simulink ab. Das Auslegungsbeispiel FireSat wird durch eine Machbarkeitsstudie zur automatisierten Anordnung (Packaging) und durch die Integration der automatischen Verkabelung (Routing) im Satellit ergänzt. Mit diesem Einsatz der Entwurfssprachen ist die Machbarkeit eines automatisierten Satellitenentwurfs durch Existenz bewiesen. Im Rahmen der Arbeit ist dabei keine prinzipielle theoretische Grenze für einen vollständig automatischen Entwurf sichtbar geworden. Durch die rigorose formale Abbildung und die daraus folgende algorithmische Verarbeitung des Entwurfswissens, ist die für einen Entwurf erforderliche Zeit auf die Programmlaufzeiten der Algorithmen reduziert. Damit ist hinsichtlich der gewählten Modellvorstellungen und Algorithmen die theoretische Untergrenze für die Dauer des Entwurfsprozesses erreicht.
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Generative Layout- und Packingverfahren im digitalen Produktentwurf
(2023) Schopper, Claudia; Rudolph, Stephan (PD Dr.-Ing.)
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Lösungspfadbasierte Analysen im Entwurf komplexer Systeme
(2015) Bölling, Michael; Rudolph, Stephan (PD Dr.-Ing.)
Durch den Einsatz graphenbasierter Entwurfssprachen im Entwurf komplexer Systeme entstehen zunehmend größere und komplexere funktionale Modellbeschreibungen in Form nicht-linearer algebraischer Gleichungssysteme. Diese machen es dem Entwerfer immer schwieriger, die wesentlichen Einflussgrößen eines Modells, sogenannte Design Driver, zu erkennen und die Auswirkungen einzelner Parameter samt deren Kopplungen über das gesamte System hinweg richtig einzuschätzen. Die manuelle Analyse der Gleichungssysteme mit wenigen Variablen durch mathematische Methoden der Sensitivitätsanalyse kann helfen, die Auswirkungen einzelner Parameter auf einzelne Größen detailliert zu erfassen. In großen Systemen ist die manuelle Analyse für die Bestimmung der wesentlichen Größen eines Gesamtsystementwurfs mit mehreren hundert oder tausend Gleichungen, oder von Parametern, die einen gleich- oder gegensinnigen Einfluss haben, nicht mehr praktikabel. Die große Anzahl an Gleichungen zusammen mit den Kopplungen der Größen untereinander macht es dem Entwerfer schwer bis nahezu unmöglich, manuell interessante Parameter für eine Sensitivitätsanalyse zu identifizieren und ein vertieftes Verständnis für das Gesamtsystem aufzubauen. Durch eine maschinelle Umsetzung der Sensitivitätsanalyse, die auf der lösungspfadbasierten Synthese und der nachfolgenden mathematischen Lösung der Gleichungssysteme aufsetzt, ist es möglich, auf derartige Fragestellungen einzugehen und so das Verständnis des Systems zu verbessern. Dazu wird die Jacobi-Matrix des Systems symbolisch bestimmt und auf dimensionslose Werte normiert. Die Einträge der dimensionslosen Ableitungsmatrix werden dann mittels einer Farbskala als sogenannte HeatMap visualisiert. Die zahlenartigen Einträge der Matrix werden hierfür als farbige Flächen dargestellt. Dadurch entsteht ein farbiges Schachbrettmuster, dessen Farbflächen den numerischen Werten entsprechen. Durch verschiedene Anordnungen der HeatMap können unterschiedliche Aspekte des Entwurfs hervorgehoben werden. So lassen sich etwa durch eine Anordnung nach der Anzahl der Nicht-Null-Elemente Kandidaten ausmachen, welche die wesentlichen Größen des Entwurfs darstellen. Durch eine Anordnung auf Grundlage einer Clusteranalyse lassen sich Parameter mit gleich- und gegensinnigem Einfluss (sogenannte Protagonisten und Antagonisten) ausmachen und durch die Anordnung nach Subsystemen werden die Kopplungen der Subsysteme untereinander erkennbar. Anhand von mehreren Beispielen wird aufgezeigt, wie aufbauend auf der lösungspfadbasierten Synthese weitere Analysen durchgeführt werden können. Dabei werden zunächst - ausgehend von einem analytisch noch überschaubaren System für die Auslegung einer Gasturbine - immer größer und komplexer werdende Modelle symbolisch analysiert. Auf das Modell der Gasturbine mit zunächst nur 19 Gleichungen folgt ein Modell für die Auslegung einer luftschiffbasierten Höhenplattform mit 108 Gleichungen. Als drittes Beispiel dient die Auslegung eines Satelliten mit 502 algebraischen Gleichungen, die sich aus einem Destillat von mehreren tausend Gleichungen ergeben. Interessanterweise finden sich unter den maschinell ermittelten Kandidaten für Design Driver zahlreiche Größen, deren Bedeutung sich dem erfahrenen (System-) Architekten sofort erschließt. Hierunter fallen z.B. die Bilanzgrößen für Masse, Energie oder Kosten, die naturgemäß mit einer Vielzahl an Systemgrößen zusammenhängen. Zusätzlich zeigen die gefundenen gleich- und gegensinnigen Größen dem Ingenieur Möglichkeiten auf, wie er den Einfluss einzelner Größen kompensieren kann. Die Anzahl der Nicht-Null Einträge einer Zeile bzw. Spalte der Jacobi-Matrix hilft ihm zu erkennen, ob die Systeme stark oder schwach miteinander gekoppelt sind. Bei schwach gekoppelten Systemen hat er bei Änderungen mit relativ geringen Auswirkungen zu rechnen. Stark gekoppelte Systeme dagegen zeigen ihm, welche Größen und wie stark diese den gesamten Entwurf koppeln.
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On physical aspects of cabin architectures using tolerancing methods
(2013) Landes-Dallat, Benjamin; Rudolph, Stephan (PD Dr.-Ing.)
In the conceptual design phase for the development of aircraft cabins the question about product architectures, spatial, mechanical and functional interfaces as well as the integration into the fuselage play a central role. While functional aspects are in the foreground for the conceptual design of cabin systems like the air distribution system or data systems, the architectures of the cabin modules like the stowage bins and the entire lining panels of the passenger compartment are mainly characterized by interdependencies between physical aspects, in particular between the geometrical shape, mechanical, functional and operational behavior as well as manufacturing aspects. The physical interfaces between the cabin modules, the fuselage structures and the attachment brackets are of high relevancy. Tolerance management, which defines the repercussions of tolerances already in the early conceptual phase of product development, here accomplishes important tasks. It can provide the required interconnection between geometrical shape, manufacturing-related deviation from nominal size, mechanical-functional behavior and the wide field of repercussions on manufacturing – in particular on the final assembly line. The analysis of physical aspects of cabin architectures consequently becomes a problem exceeding pure geometrical considerations. For this reason, methods based on a geometry paradigm for the generation and analysis of product data considering only geometrical aspects reach their limits concerning their validity for physical architecture aspects. On the other hand, the consideration of additional product data models in parallel is time-consuming. In particular, if several technical scenarios need to be compared, analysis methods like tolerance calculations are often omitted, since the relation between the modeling time and the validity of the calculation results based on values coming from heuristic or synthetic estimation procedures seems to be too unfavorable. In contrast, modern model-based methods, such as for instance, graph-based design languages enable interdisciplinary product models which are customized exactly to the needs of the respective problem. In addition to this, approaches with design languages comprising design rules offer the possibility for a fast and reproducible generation and modification of product data models. In the context of this dissertation so-called cabin design languages are developed that can describe and model physical aspects of cabin architectures including tolerancing. Key aspects of these design languages are the concepts of ‘physical components’ and ‘physical interfaces’ along with the associated aspects for physical integration like tolerances and installation processes. The implementation of these design languages consists of an extensive cabin-specific class diagram and a set of graph-based rules which together allow generating and calculating multiple variants of a technical scenario. The classes and rules also comprise synthetic estimations for component tolerances or masses, for example. The software-based implementation additionally provides routines which transform the compiled cabin models into analysis and visualization models. Amongst other, this comprises automatized means for the preparation of tolerance analyses, the calculation of analysis parameters in terms of ‘metrics’, the conceptual representation of manufacturing processes or the exchange of product data models. A use case demonstrates the practical benefit of executable design languages for the named problem. A cabin segment including the corresponding design rules is modeled. By means of parametrical and topological changes, several technical scenarios including the corresponding analysis and visualization models can be generated and evaluated. The following discussion examines the applicability of the presented method for industrial praxis. It shows, that conceptual tolerance management in conjunction with further analysis methods and supported by design languages can play a primary role for the industrial evaluation of physical aspects of cabin architectures in the conceptual design phase.
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Round-Trip-Engineering im modellbasierten Ingenieurentwurf
(2023) Schopper, Dominik; Rudolph, Stephan (PD Dr.-Ing.)
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Über Ordnungsmechanismen im wissensbasierten Entwurf von SCR-Systemen
(Stuttgart : Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen, Universität Stuttgart, 2016) Vogel, Samuel; Rudolph, Stephan (PD Dr.-Ing.)
Die in den Industrie- und Schwellenländern gültige Emissionsgesetzgebung macht bei der Verwendung von Dieselmotoren eine außermotorische Abgasreinigung notwendig. Dies betrifft nicht nur Fahrzeuganwendungen auf der Straße, sondern auch Off-Highwayanwendungen wie Marine, Bahn und Industrie. SCR-Systeme (selective catalytic reduction systems) stellen in diesen Anwendungen die bevorzugte Technologie zur Stickoxidreduktion dar. SCR-Systeme sind robust gegenüber Kraftstoffen mit erhöhten Schwefelgehalten und erlauben es, den Basismotor auf höhere Stickoxidrohemissionen zu trimmen. Dies führt im Allgemeinen zu geringeren Kraftstoffverbräuchen und stellt damit ein Beitrag zur CO2-Reduktion dar. Die individuellen Einsatzprofile und geringen Stückzahlen in den Off-Highwayanwendungen erfordern einen besonders effizienten Entwurfsprozess der SCR-Systeme. Dieser kann mit Hilfe graphenbasierter Entwurfssprachen realisiert werden. Die wissensbasierte Entwurfsmethode der Entwurfssprachen stellt ein digitales, regelbasiert ausführbares Abbild des Entwurfsprozesses her. Das Entwurfswissen wird in Form von Regeln und Vokabeln abgelegt. Durch automatisierte Analyse- und Simulationsschleifen werden im Produktionssystem Entwurfsentscheidungen auf Basis objektiver Analyseergebnisse getroffen. Ausgehend von gegebenen Anforderungen (Emissionsziele, Motordaten, Bauraum, etc.) werden digitale Entwürfe von SCR-Systemen erzeugt und anhand regelbasiert generierter Simulationsmodelle (z.B. Strömungssimulation) validiert. Damit wird eine Beschleunigung des Entwurfsprozesses von SCR-Systemen um mehr als eine Größenordnung erreicht. Die dafür notwendigen CAD-Geometrien der verwendeten Rohrleitungen werden aus standardisierten Rohrbögen mit konstanten Bogenwinkeln und Radien erzeugt. Für die Synthese dieser Rohrstrecken wird ein Optimierungsalgorithmus (Simulated Annealing) eingesetzt. Dabei werden topologische Variationen mit Hilfe einer analytischen Konstruktionsvorschrift (Kegel-Kegel-Fasskreis-Konstruktion) dargestellt. Diese erlaubt einen schnellen und robusten Austausch einzelner Bogenelemente unter Beibehaltung der Gültigkeit der Rohrstrecke. Parametrische Änderungen der Rohrstrecke werden mit Hilfe eines Starrkörpersimulators durchgeführt. Das digitale Abbild des Entwurfsprozesses enthält analytische Gleichungen. Die Lösungssequenz dieser Gleichungen muss bei der Ausführung der Entwurfssprache automatisch bestimmt werden. Dies wird mit Hilfe eines Lösungspfadgenerators realisiert. In der vorliegenden Arbeit wird dazu auf Basis von Symmetriebetrachtungen ein selbstassemblierender Lösungspfadalgorithmus entwickelt. Dieser erlaubt, im Regelfall zyklenfreier Kopplungen, eine generische Parallelisierung der Lösungspfadfindung und führt so zu einer erheblichen Beschleunigung, verglichen mit klassischen graphenbasierten Algorithmen. Daneben wird ein Mechanismus zur Bestimmung der Abfolge einzelner Entwurfsschritte entwickelt. Durch eine systematische Sequenzialisierung des Entwurfsprozesses kann eine Reduktion der Entwurfskomplexität erreicht werden. Die mit den Produktanforderungen verträglichen Auslegungen der zu integrierenden Systeme bilden dabei Teilmengen im Raum der Entwurfsfreiheitsgrade. Aus der mathematischen Dimension dieser Teilmengen lässt sich eine bevorzugte Entwurfssequenz bestimmen: Bei der sequenziellen Integration zweier Teilsysteme sollte mit der Auslegung des niederdimensionaleren Teilsystems - dem System mit weniger Freiheitsgraden - begonnen werden. Das Prinzip der dimensionsabhängigen Entwurfsabfolge kann neben der Strukturierung des Entwurfsprozesses auch als Basis eines zukünftig selbstorganisierten Entwurfsprozesses dienen.