title: Knowledge-based engineering to provide aircraft fuselage design details for multidisciplinary and multifidelity analysis model generation
Creators: name: Walther, Jan-Niclas
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
subject: KBE
subject: aircraft design
subject: fuselage
subject: MDAO
subject: multi-model generation

description: In this work, a knowledge-based engineering (KBE) methodology is introduced, which is capable of supporting the generation of consistent disciplinary analysis models of the aircraft fuselage for multidisciplinary design analysis and optimization (MDAO) applications on the one hand, and open to novel architectures on the other. On the path towards more sustainable and carbon neutral aviation, increasing efforts are necessary to achieve incremental product improvements for a highly optimized aircraft configuration. Meanwhile the introduction of new technologies, such as liquid hydrogen (LH2), inevitably entails fundamental changes to the overall aircraft architecture. Against this backdrop, advanced computational design and analysis methods are indispensable to enable faster, more accurate design cycles on the one hand, and to allow for the early assessment of unconventional aircraft architectures beyond the scope of empirical design methods on the other. In addition, the design is often driven by multidisciplinary integration effects, resulting in a need for collaborative MDAO campaigns involving a multitude of experts and computational design tools. To facilitate communication, central data models such as the Common Parametric Aircraft Configuration Schema (CPACS) are often used for design data exchange. The aircraft fuselage is of particular interest, since its design is impacted by many diverse disciplines, including structural and cabin design, industrialization, and human factors. In MDAO, all of these aspects need to be accounted for to achieve meaningful results. Yet, the large variety of analysis and design methods and the vastly different requirements in terms of available product details currently pose an obstruction to the integration of detailed fuselage assessment. To address this issue, the KBE methodology presented in this work provides multi-model generation capabilities to enable consistent analysis model generation at very different levels of fidelity. Built upon CPACS as central data model, the approach combines sets of parameters and executable rules, formulated in a declarative manner to assemble a knowledge graph. The graph-based formulation provides a number of benefits, e.g. the possibility to trace dependencies between parameters or incorporate new knowledge in a modular fashion. Furthermore, the program flow is determined dynamically at run time, based on user requests. Consequently, rules are not executed until they are needed to fulfill a user request, thus avoiding the unnecessary performance of computationally expensive tasks. Both geometry modeling and design rules are included in the system. A parametric modeling engine for the fuselage based on CPACS is presented, which includes detailed modeling capabilities for the structure and the cabin. The design rules enable the generation of complex layouts based on a small set of design variables. This makes it possible to enrich data sets, e.g. from overall aircraft design, which lack necessary details for the model generation. In combination, the rules enable the flexible generation of geometry models to match the fidelity requirements of different types of analysis models. Two examples of system modifications to accommodate novel architectures are furthermore given, one for a blended wing-body configuration and another for the integration of large cryogenic tanks in the fuselage. Several application studies are presented to highlight the versatility of the KBE approach. First, two conventional configurations are considered, one single-aisle and one twin-aisle and twin-deck. Both studies are performed using the basic conventional fuselage design rules. Next, studies for the unconventional blended wing-body and LH2 tank integration problems are shown, applying the respective system modifications. Finally, the capacity to provide state of the art analysis models is demonstrated by deriving models for global finite element analysis and interactive visualization for human factors evaluation for the single-aisle configuration.
description: In dieser Arbeit wird eine wissensbasierte Entwurfsmethodik (KBE, engl.: knowledge-based engineering) vorgestellt, welche einerseits zur Unterstützung der konsistenten disziplinären Modellgenerierung für multidisziplinäre Entwurfsanalyse- und -optimierungsanwendungen (MDAO, engl.: multidisciplinary design analysis and optimization) geeignet ist und andererseits die Möglichkeit zur Einbindung neuartiger Produktarchitekturen bietet. Auf dem Weg zu einer nachhaltigeren und CO2-neutralen Luftfahrt, ist die inkrementelle Verbesserung von hochoptimierten Luftfahrzeugkonfigurationen mit zunehmend hohem Entwicklungsaufwand verbunden. Die Einführung neuer Technologien wie Flüssigwasserstoffantrieben geht zudem mit unausweichlichen fundamentalen Änderungen der Produktarchitektur einher. Vor diesem Hintergrund ist der Einsatz rechnergestützter Entwurfs- und Analysemethoden unabdingbar, um zum einen schnellere und präzisere Entwurfszyklen zu ermögliche und zum anderen die frühe Bewertung unkonventioneller Flugzeugarchitekturen zu ermöglichen, die nicht durch empirische Entwurfsmethoden abgedeckt werden können. Zudem ist der Entwurf häufig durch multidisziplinäre Integrationseffekte getrieben, wodurch kollaborative MDAO-Kampagnen nötig werden, an denen eine Vielzahl von Experten und Entwurfsprogrammen beteiligt ist. Um die Kommunikation zu vereinfachen, werden häufig zentrale Datenmodelle wie CPACS (Common Parametric Aircraft Configuration Schema) zum Datenaustausch eingesetzt. Der Flugzeugrumpf ist von besonderem Interesse, da der Entwurf von vielen höchst unterschiedlichen Disziplinen, wie Struktur- und Kabinenentwurf, Industrialisierung oder Human Factors, beeinflusst wird. Um mit Hilfe von MDAO aussagekräftige Ergebnisse erzielen zu können, müssen all diese Aspekte berücksichtigt werden. Die große Breite eingesetzter Entwurfs- und Analysemethoden und die stark unterschiedlichen Anforderungen, welche Produktdetails bekannt sein müssen, stehen einer Integration detaillierter und umfassender Rumpfanalysen derzeit allerdings im Weg. Um dieser Problematik entgegenzutreten, werden mit der in dieser Arbeit präsentierten KBE-Methodik Multi-Modellgenerierungsfähigkeiten entwickelt, die es ermöglichen konsistente Analysemodelle in unterschiedlichsten Detaillierungsgraden bereitzustellen. Aufbauend auf CPACS als zentralem Datenmodell verbindet der Ansatz Parameter und ausführbare Regeln, die in deklarativer Form zur Verfügung gestellt werden, zu einem Wissensgraphen. Eine graphenbasierte Formulierung bietet zahlreiche Vorteile, z.B. die Möglichkeit Abhängigkeiten zwischen Parametern nachzuverfolgen oder neues Wissen modular einzubinden. Zudem wird der Programmablauf dynamisch zur Laufzeit auf Basis von Nutzerabfragen bestimmt. Regeln werden demnach nicht ausgeführt, bis sie zur Bearbeitung einer Nutzerabfrage benötigt werden, wodurch die unnötige Ausführung rechenintensiver Regeln vermieden wird. Das System enthält sowohl Geometriemodellierungs- als auch Entwurfsregeln. Es wird eine parametrische Modellierungsengine für CPACS vorgestellt, die detaillierte Regeln für die Geometriegenerierung von Rumpfstruktur und Kabine bereithält. Die Entwurfsregeln ermöglichen die Erstellung komplexer Layouts auf Basis einiger weniger Entwurfsvariablen. Dies erlaubt es, Datensätze, beispielsweise aus dem Flugzeuggesamtentwurf, die nicht alle zur Modellerstellung notwendigen Details beinhalten, mit entsprechenden Daten anzureichern. Im Zusammenspiel erlauben die Regeln somit die flexible Erstellung von Geometrien, die exakt den Genauigkeitsanforderungen unterschiedlicher Analysemodelltypen angepasst sind. Des Weiteren sind zwei Beispiele für Systemmodifikationen gegeben, welche der Integration neuer Produktarchitekturen dienen sollen: Eine Modifikation ist einer Nurflüglerkonfiguration gewidmet, während die zweite der Integration großer kryogener Tanks im Rumpf dient. Die Vielseitigkeit des KBE-Ansatzes wird mit Hilfe einiger Anwendungsstudien aufgezeigt. Zunächst werden zwei konventionelle Konfigurationen betrachtet, eine Single-Aisle-Konfiguration und eine Twin-Aisle-Konfiguration mit zwei Decks. Beide Studien werden mit dem konventionellen Basisregelsatz durchgeführt. Anschließend werden Studien für eine unkonventionelle Nurflüglerkonfiguration, sowie eine Wasserstofftankintegration vorgestellt, in denen die jeweiligen Systemmodifikationen zum Einsatz kommen. Zum Abschluss wird die Fähigkeit des Systems demonstriert, Analysemodelle bereitzustellen, die dem Stand der Technik entsprechen. Dazu werden für die Single-Aisle-Konfiguration ein globales Finite-Elemente-Modell und ein Modell zur interaktiven Kabinenvisualisierung für Human-Factors-Analysen erstellt.