Browsing by Author "Rudolph, Stephan (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)"

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Automatische Fehlerbaumerstellung und -analyse zeitinvarianter Netzwerke
(2021) Riestenpatt genannt Richter, Marius; Rudolph, Stephan (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)
Bereits in frühen Phasen eines Produktentwurfs werden wichtige Entscheidungen mit gravierendem Einfluss für den kompletten Produktlebenszyklus getroffen. Deshalb ist es in dieser zunehmend kürzer werdenden Phase von großer Wichtigkeit möglichst alle Aspekte des multidisziplinären Produktentwurfs in möglichst umfassender Detaillierung zu betrachten. Da frühe Entwurfsphasen durch viele Änderungen geprägt sind, ist die gewünschte Detaillierung manuell allerdings nicht in allen Domänen umsetzbar. Eine dieser Domänen ist bisher die Zuverlässigkeitsanalyse. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur Zuverlässigkeitsanalyse über die vollautomatische Fehlerbaumanalyse (fault tree analysis (FTA)) von nahezu beliebigen Produktarchitekturen entwickelt. Im Gegensatz zur bisherigen sehr aufwendigen, in großen Teilen manuellen Fehlerbaumanalyse, die dadurch bedingt meist erst in späteren Entwurfsphasen in ausreichender Detaillierung angewendet wird, ermöglicht diese innovative Methode durch die Automatisierung - sowohl der Erstellung als auch der Auswertung - die Berücksichtigung der Fehlerbaumanalyse bereits in den frühen Entwurfsphasen. Zur Umsetzung dieser vollautomatischen Fehlerbaumanalyse wird über graphenbasierte Entwurfssprachen ein vollständiges digitales Produktmodell erzeugt. Dieses Produktmodell beinhaltet u.a. die Definition der Topologie des Produktes, auf deren Grundlage dann die automatische Generierung des Fehlerbaumes sowie die vollständige Durchführung der Fehlerbaumanalysemethode erfolgt. Dafür wird das Modell semantisch hinsichtlich der gewünschten Fehlerbaumanalyse erweitert. Im Rahmen dieser Arbeit zeigt sich, dass - unter Voraussetzung der Vollständigkeit des Produktmodells - die Fehlerbaumanalyse Teile der Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse (failure mode and effects analysis (FMEA)) beinhaltet. Wissenschaftlich bedeutet dies, dass die induktive Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse und die deduktive Fehlerbaumanalyse als zwei Sichten auf ein und das selbe Problem betrachtet werden können. Insbesondere aus einem zentralen Modell heraus kann somit die Bottom-up-Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse zusammen mit der Top-down-Fehlerbaumanalyse automatisch erzeugt und verknüpft werden. Im Ablauf der automatischen Fehlerbaumanalyse wird zunächst ein Fehlerbaum erstellt. Diese automatische Fehlerbaumerstellung wird durch eine Zerlegung der semantisch annotierten Produkttopologie in Serien- und Parallelabschnitte erreicht. Der Fehlerbaum ermöglicht dann sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Zuverlässigkeitsuntersuchung. Zur Abschätzung der Zuverlässigkeiten komplexer Topologien werden von diesen über eine Zerlegung serielle und parallele Ersatzsysteme gebildet, anhand derer eine Fehlerbaumerstellung und -analyse automatisch durchgeführt wird. Durch die Automatisierung ist mit einer entsprechenden Entwurfssprache eine Optimierung des Systems mit Bezug auf Zuverlässigkeitsaspekte in frühen Entwurfsphasen automatisch möglich. Eine Optimierung wird in Form einer Heuristik in dieser Arbeit anhand eines Anwendungsbeispieles für den Entwurf von Satellitenantriebssystemen vorgestellt, wobei sowohl parametrische als auch topologische Änderungen des Systems automatisch durchgeführt werden, um eine Zielzuverlässigkeit zu erreichen. Neben dieser gezielten Systemanpassung wird anhand des Anwendungsbeispieles für den Entwurf von Satellitenantriebssystemen eine Entwurfsraumuntersuchung vorgestellt. Die Entwurfsraumuntersuchung ermöglicht eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen verschiedenen Entwurfsparametern für die verschiedenen parametrischen und topologischen Systemvarianten. Eine Analyse der Ergebnisse erlaubt Aussagen über die Auswirkung von Topologiewechseln auf die einzelnen Entwurfsparameter. In einem weiteren Beispiel wird, neben der Illustration der Anwendbarkeit der automatischen Fehlerbaumerstellung und -analyse, anhand eines Schiffsmotors die Modularität der automatischen Fehlerbaumerstellung und -analyse für unterschiedlich komplexe Produkte und Prozesse demonstriert. Darüber hinaus erfolgt an diesem Beispiel eine Demonstration der Integration der automatischen Fehlerbaumanalyse in eine Fehlermöglichkeits- und -einflußanalyse.
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Entwicklung und Implementierung einer Softwarearchitektur zur automatisierten Leitungssatzgenerierung
(2024) Weil, Roland; Rudolph, Stephan (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)
In der Entwicklung moderner technischer Systeme nimmt durch die zunehmende Elektrifizierung und Digitalisierung von Produktfunktionen der Anteil der elektrischen und elektronischen Systemkomponenten stetig weiter zu. Dabei gewinnt der Leitungssatz als zentrales und verbindendes Element der Energie- und Signalverteilung aufgrund seiner immer weiter steigenden Größe und Komplexität industrieübergreifend in der Systementwicklung immer mehr an Bedeutung. Die Komplexität und Größe der Leitungssätze beeinflusst dabei maßgeblich die Prozessketten von der Entwicklung bis zur Fertigung und kann insbesondere durch die dabei anfallenden manuellen Tätigkeiten zum Zeit- und Kostentreiber in der Gesamtentwicklung werden. Eine weitgehende algorithmische Automatisierung dieser Tätigkeiten bietet daher ein großes Potenzial zur Effizienzsteigerung dieser Prozessketten in der Industrie. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Implementierung einer Softwarearchitektur für die automatisierte Generierung von 3D-Leitungssätzen im industriellen Kontext. Die Anforderungen an diese Softwarearchitektur werden aus verschiedenen Bereichen der Industrie, wie z. B. der Luft- und Raumfahrt oder dem Automobilbau abgeleitet und umfassen Aspekte wie Bauraumgeometrie, Komponentendaten, Elektrologik, Entwurfsregeln und Konsistenzprüfung. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Leistungsfähigkeit der Algorithmen bei der Verarbeitung detaillierter Datensätze sowie auf der Effizienz beim Umgang mit den zahlreichen Änderungen, die für den Systementwicklungsprozess typisch sind. Das Konzept der Softwarearchitektur gliedert den Prozess in sequenzielle Teilaufgaben, die von eigenständigen Softwarefunktionalitäten übernommen werden. Die lose Kopplung dieser Funktionalitäten untereinander und der Datenaustausch über ein gemeinsames, robustes Datenmodell ermöglicht die Integration der Architektur in bestehende Softwareplattformen und erleichtert darüber hinaus die Wartung und Anpassung der Software im Kontext eines sich im ständigen Wandel befindlichen Entwurfsprozesses für Leitungssätze. Die Realisierung dieser Funktionalitäten erfolgt durch zahlreiche Softwarekomponenten, die in einer Schichtenstruktur organisiert sind. Die abstrakte Core-Schicht beinhaltet dabei die allgemeinen Komponenten mit Funktionen zur Verwaltung und Ausführung von Workflows, zur Konvertierung zwischen Datenmodellen oder zur Modellierung und Simulation von Mehrkörpersystemen. Die zentrale Harness-Schicht baut auf den Komponenten der Core-Schicht auf und beinhaltet die für die Generierung von 3D-Leitungssätzen notwendigen Komponenten. Zu diesen Komponenten gehören u. a. die Algorithmen zur Erzeugung von Leitungssatztopologien, die automatisierte Verlegung von Einzelleitungen in diesen Topologien sowie die physikalische Simulation des 3D-Leitungssatzes. Die Verwaltung und Integration der gesamten Software in eine bestehende Softwareplattform wird durch die Komponenten der konkreten Platform-Schicht realisiert. Die Komponenten der Platform-Schicht enthalten alle Funktionen zum Import und Export externer Datenformate sowie zur Steuerung und Visualisierung des gesamten Generierungsprozesses. Dazu gehört auch die Steuerung des Datenaustausches zwischen den verschiedenen Harness-Komponenten über das zentrale Datenmodell in der unabhängigen DataModel-Schicht. Die Softwarearchitektur wurde im Rahmen dieser Arbeit auch softwaretechnisch implementiert, in das Framework der Software Design Cockpit 43 (kurz DC43) integriert und anhand von drei Anwendungsbeispielen demonstriert. Diese Beispiele zeigen u. a. die schrittweise Entwicklung anhand eines akademischen Leitungssatzmodells, die Variantengenerierung für ein Flugzeugleitwerk und den Änderungsprozess an einem Leitungssatz eines Kleinsatelliten in einer fortgeschrittenen Entwicklungsphase. Anhand dieser sehr unterschiedlichen Szenarien konnte die beschleunigte Erzeugung von 3D-Leitungssätzen mit Hilfe von Algorithmen im industriellen Kontext erfolgreich gezeigt werden. Die vorgestellte Architektur ermöglicht eine flexible Anpassung an die sich ständig ändernden Anforderungen in der Leitungssatzentwicklung. Die entwickelten Komponenten finden auch Anwendung in anderen Bereichen des Ingenieurwesens, wie z.B. dem automatisierten Entwurf von Hohlleitern oder der automatisierten Verlegung von Biegerohren in beliebig komplexen geometrischen Bauräumen. Die Integration in Plattformen wie das DC43-Framework ermöglicht darüber hinaus die Kombination verschiedener Automatisierungslösungen für optimierte Ergebnisse in unterschiedlichen ingenieurwissenschaftlichen Aufgabenstellungen, wie z. B. 3D-Packing, der 3D-Verrohrung und der 3D-Leitungssatzgenerierung.
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Erkennung, Modellierung und Vermeidung von Hubschrauberlärm durch Blatt-Wirbel-Interaktionen
(2010) Gläßel, Holger; Rudolph, Stephan (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)
In dieser Arbeit wird ein System zur Erkennung und Vermeidung von impulsivem Hubschrauberlärm aufgrund Blatt-Wirbel-Interaktionen (blade-vortex interaction, BVI) entwickelt. Als Auslegungsbasis dient der Entwurf eines vereinfachten neuronalen und somit datengetriebenen Modells des Wirbelnachlaufs. Die Ergebnisse aus der Simulation des Nachlaufmodells führen zur logischen Ableitung einer sehr einfachen, allgemein gültigen Regelstrategie zur Kontrolle der Wirbelflugbahnen. Aufgrund der effizienten, echtzeitfähigen Waveletanalyse der Sensordaten gelingt anhand des BVI-Zustandes eine frühzeitige Erkennung lärmrelevanter Situationen, welche mit der Kenntnis des Steuereinflusses aus dem Streckenmodell vermieden werden können. Durch zahlreiche Flugversuche wird der Lärmregler in auch bis dato nicht untersuchten und für den datengetriebenen Entwurf nicht herangezogenen, dynamischen Flugzustandsbereichen erfolgreich validiert.
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Formal knowledge representations for textual automotive system requirements and tests
(2021) Walter, Benedikt; Rudolph, Stephan (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)