Application-specific UML profiles for multidisciplinary product data integration

Abstract

This thesis examines the suitability of the UnifiedModeling Language (UML) to establish a central product model for multidisciplinary product data integration. Computer-aided product design involves the use of specialized discipline-specific software applications in order to model and simulate various product aspects. Dependencies between models are thereby frequent as the same product information often appears redundantly in various engineering models. In addition, dependencies exist due to relationships between distinct features of various models. As a result, model modifications frequently require the update of dependent models. Data consistency between models is achieved automatically through model-to-model data exchange software. The use of a central product model enables to reduce the required number of data exchange connections. Central product models store product information which is spread across several models and achieve data consistency through data exchange connections between themselves and specific models as in a hub-and-spoke network. Central product models are especially useful for automatic data consistency in design scenarios which include a high number of inter-model dependencies and model modifications. The integration of geometry and therefrom derived models such as structural analysis or computational fluid dynamics models has already been successfully addressed in numerous central product models. However, the multidisciplinary integration of more diverse models, such as geometric, software, controller and multibody system models, currently presents a challenge. Although several central product models have been developed for multidisciplinary design, none has yet gained, in contrast to geometry-focused central product models, wide acceptance nor reached the status of an international standard. The unmanageable high number of diverse discipline- and application-specific modeling concepts hinders the development of a standardized holistic central product representation. This thesis investigates the possibility of establishing an interdisciplinary central product model based on the common modular structure of models from various disciplines. Most models which are edited with current state-of-the-art software applications are composed of modular components in order to support the exchange and reuse of model information. Models from different disciplines therefore share common modeling concepts for the specification of modular model components. However, there is yet no overarching modeling standard to describe the common characteristics of modular model components from various disciplines. Object-oriented modeling concepts currently mainly describe software modules called objects. Object-oriented modeling concepts are generic and can be used to represent modular components in general. The Unified Modeling Language (UML) has been since its emergence in 1997 the de facto standard for object-oriented modeling. This thesis examines the use of the object-oriented modeling concepts of the UML to uniformly describe widely used application-specific geometric, dynamic and multibody system models in a central product model. Application-specific model information was represented in UML through generic UML modeling concepts in combination with lightweight UML extensions in the form of stereotypes. UML profiles regrouped stereotypes which corresponded to a specific modeling application. The automatic translation of UML model information into the specific models and vice versa was implemented in order to test and validate the application-specific UML profiles. The UML-based central product model was used in several test cases to automatically generate consistent models for the simulation and evaluation of various product configurations. The test cases included models for the simulation of slider-crank mechanisms, the evaluation of cabin pressure control systems, the design of conveyor system configurations, the evaluation of satellite configurations and the generation of customized aircraft geometry. The workflows within the test cases included the automatic creation and modification of UML models as well as the invocation of data exchange connections. The workflows were described in executable UML activity diagrams or Java programs. The thesis demonstrates that the UML can be used beyond conventional software modeling to establish a central holistic product representation. The modeling concepts of geometric, dynamic and multibody system models were translated mostly according to one-to-one mappings into corresponding UML modeling concepts with their respective stereotype. As a result, the specific model information is easily recognizable in the UML-based central product model. Furthermore, the use of a UML-based central product model is facilitated for the many modelers who are already familiar with the widespread and standardized UML modeling language.

Die Dissertation untersucht die Eignung der Unified Modeling Language (UML) für den Aufbau eines zentralen Produktmodells zur multidisziplinären Produktdatenintegration. Im rechnerunterstützten Produktentwurf werden spezialisierte disziplinspezifische Software-Anwendungen zur Modellierung und Simulation von verschiedenen Produktaspekten verwendet. Abhängigkeiten zwischen Modellen treten häufig auf infolge der redundanten Verteilung von Produktdaten über mehrere Modelle und der Beziehungen zwischen verschiedenen Eigenschaften von unterschiedlichen Modellen. Änderungen an einem Modell erfordern eine Aktualisierung von abhängigen Modellen. Konsistenz zwischen Daten aus unterschiedlichen Produktmodellen wird automatisch durch Datenaustausch-Software sichergestellt. Die Verwendung eines zentralen Produktmodells ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl an Datenaustauschschnittstellen. Zentrale Produktmodelle speichern über mehrere Modelle verteilte Produktinformationen und gewährleisten Datenkonsistenz, indem sie mit spezifischen Modellen sternförmig vernetzt sind. Zentrale Produktmodelle sind von besonderem Nutzen in Entwurfsszenarien, welche eine hohe Anzahl an Abhängigkeiten zwischen Modellen sowie Modellanpassungen aufweisen. Die Integration von geometrischen und davon abgeleiteten Produktmodellen wurde in mehreren zentralen Produktmodellen erfolgreich durchgeführt. Allerdings stellt die Integration von diverseren Produktmodellen, wie zum Beispiel Geometrie-, Software-, Regelung-und Mehrkörpersystem-Modellen, eine Herausforderung dar. Obwohl mehrere zentrale Produktmodelle zur multidisziplinären Produkdatenintegration entworfen worden sind, hat keins bis jetzt, im Gegensatz zu geometriefokussierten zentralen Produktmodellen, entweder eine breite Akzeptanz gefunden oder den Status eines internationalen Standards erreicht. Die unübersichtlich hohe Anzahl an unterschiedlichen disziplin- und anwendungsspezifischen Modellierungskonzepten erschwert das Erstellen einer standardisierten ganzheitlichen zentralen Produktbeschreibung. Die Dissertation untersucht einen Ansatz zur Erstellung eines interdisziplinären zentralen Produktmodells basierend auf der gemeinsamen modularen Struktur von Modellen aus unterschiedlichen Disziplinen. Die meisten Modelle bestehen aus modularen Komponenten, um die Wiederverwendung und den Austausch von Modell-Informationen zu vereinfachen. Modelle aus verschiedenen Disziplinen weisen deshalb gemeinsame Modellierungskonzepte auf, um die Kapselung, Klassifikation und Interaktionen von modularen Modellkomponenten zu beschreiben. Allerdings gibt es noch keinen domänenübergreifenden Modellierungsstandard, um die gemeinsamen Eigenschaften von modularen Modellkomponenten aus unterschiedlichen Disziplinen zu beschreiben. ObjektorientierteModellierungskonzepte werden bis jetzt hauptsächlich zur Beschreibung von Software-Modulen, die als Objekte bezeichnet werden, verwendet. Sie sind generisch und können modulare Modellkomponenten im allgemeinen repräsentieren. Die UML is seit 1997 ein weitverbreiteter Standard zur objektorientierten Modellierung. Die Dissertation untersucht die Verwendung der objektorientierten UML-Modellierungskonzepte für eine einheitliche Repräsentation von weitverbreiteten anwendungsspezifischen Geometrie-, Dynamik- undMehrkörpersystem-Modellen. Anwendungsspezifische Modellinformationen wurden im UML-Modell durch generische UML-Modellierungskonzepte sowie leichtgewichtige UML-Erweiterungen in der Form von Stereotypen repräsentiert. Anwendungsspezifische UML-Stereotypen wurden in UML-Profile zusammen gruppiert. Die automatische bidirektionale Übersetzung zwischen dem zentralen UML-Modell und den spezifischen Modellen wurde zur Überprüfung und Validierung der anwendungsspezifischen UML-Profile implementiert. Das auf UML basierende zentrale Produktmodell wurde inmehreren Testfällen zur automatischen Generierung von konsistenten Modellen eingesetzt, um die Simulation und Bewertung von unterschiedlichen Produktkonfigurationen zu ermöglichen. Die Arbeitsflüsse innerhalb der Testfälle beinhalteten die automatische Erstellung und Anpassung des zentralen UML-Modells sowie den Aufruf der Datenaustauschschnittstellen. Sie wurden in ausführbaren UML-Aktivitätsdiagrammen oder Java-Programmen beschrieben. Die Dissertation zeigt, dass die UML über die reine Software-Modellierung hinaus zur zentralen ganzheitlichen Produktrepräsentation verwendet werden kann. Die Modellierungskonzepte von Geometrie-, Dynamik- und Mehrkörpersystem-Modellen liessen sich in denmeisten Fällen durch eins-zu-eins Abbildungen in entsprechende UML-Modellierungskonzepte mit Stereotyp übersetzen. Dadurch lassen sich domänenspezifische Modellinformationen im zentralen UML-Produktmodell leicht wiedererkennen. Zusätzlich fällt der Einsatz eines zentralen UML-Produktmodells vielen Modellierern, die mit der weitverbreiteten und standardisierten UMLModellierungssprache schon vertraut sind, leichter.