Automatisierte kriteriengesteuerte Exploration von Verrohrungen in komplexen 3D-Bauräumen

Abstract

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. Technical products are becoming ever more complex, while at the same time cost pressure and the need to achieve ever shorter development times while maintaining the same quality in the design of complex products are increasing. These products usually consist of a large number of subsystems that need to be designed. An example of such a subsystem is the hydraulic system in a commercial aircraft with the associated pipework. This thesis proposes the implementation of a fully automated, criteria-driven piping system using algorithms, which also allows a whole range of possible piping variants to be analysed automatically. The pipes of these hydraulic systems are typically round and are manufactured on a bending machine using the rotary-draw bending process. As a result, they consist of alternating straights and bends, whereby the bending angle is limited to only one interval and the twisting angle between two successive bends can be freely selected. Provided that all requirements are met, the bends can be positioned anywhere in the space. The pipework discussed here thus differs from cabling, in which the paths can be described as continuous splines, and from pipework in which only discrete bending angles and/or twist angles are permitted and/or the positions of the bends are specified by a grid. The contribution of this work is to conceptualise a generic system for the design of such pipes. This means that the installation space can be composed of arbitrarily complex obstacle geometries. It should be possible to lay a large number of pipes through this space, which maintain minimum distances from each other and can be fastened using predefined fixings. The pipe connections should be able to differ in their properties, such as the pipe diameter. Different pipe paths are favoured depending on the task at hand, which is why different, often competing criteria, such as the length and number of bends, must be able to be weighted in relation to each other. The respective pipe path is determined by a design space evaluation, which is carried out using the simulated annealing algorithm. For this purpose, the pipe paths are modified iteratively and then evaluated. The weighting of the criteria is included in this evaluation. Once the evaluation of the design space has been completed, the final pipe path is defined for each pipe connection and can be exported for further use in the overall product design process. In addition, the pipe paths can be exported to other domains for further evaluation. This was implemented as an example for the fully automated numerical flow simulation with OpenFOAM. If the weighting of the criteria has not yet been defined a priori, different variants of the pipe system under consideration can be generated. The weighting can be done manually or as a design study. In this way, a large number of variants can be designed automatically and then evaluated manually with machine support. The methodology is demonstrated using various examples. These include a perforated plate with and without additional obstacles, an example addressing pressure loss, and examples in the main landing gear bay of the Airbus A320. These include pipework throughout the main landing gear bay and the detailed investigation of a mounting rack contained therein by generating 144 pipe system variants. From this, a pipework was selected in which 10 % of the length and 12,9 % of the bends can be saved compared to the series solution. In addition, the packing was considered together with the pipework for a redesign. The presented procedure of automatically generating a large number of designed variants and then selecting the best one for the task can be used to make well-founded design decisions in the early design phases. This shows what a future design process could look like in which humans primarily evaluate and in which different domains are processed together in order to come as close as possible to the global optimum. As a result, greater complexity can be mastered in less time and better products can be developed in order to achieve an economic advantage.