Modeling and sensitivity analysis of aircraft geometry for multidisciplinary optimization problems

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics, 2012.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Cataloged from student-submitted PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 415-421).A new geometry management paradigm for aircraft design utilizes Computer Aided Design (CAD) systems as the source for consistent geometry models across design phases and analysis tools. Yet various challenges inhibit the widespread application of CAD models in aircraft conceptual design because current CAD platforms are not designed for automated shape optimization. In particular, CAD models built with conventional methods can perform poorly in automated design frameworks and their associated CAD systems do not provide shape sensitivities. This thesis aims to remedy these concerns by bridging the computational geometry tools in CAD with aerospace design needs. A methodology for constructing CAD models is presented using concepts of multifidelity/multidisciplinary geometry and design motion. A formalized definition of design intent emerges from this approach that enables CAD models with parameterization flexibility, shape malleability and regeneration robustness for automated design settings. Analytic shape sensitivities are also presented to apply CAD models in gradient-based shape optimization. The parameterization and sensitivities for sketches, extrude, revolve and sweep features are given for mechanical design; shape sensitivities for B-spline curves and surfaces are also presented for airfoil and wing design. Furthermore, analytic methods modeling the sensitivity of intersection edges and nodes in a boundary representation (BRep) are given. Comparisons between analytic and finite-difference gradients show excellent agreement, however an error associated with the finite-difference gradient is found to exist if linearizing the support points of B-spline curves/surfaces and regenerating with a geometry kernel. This important outcome highlights a limitation of the finite-difference method when used on CAD models containing these entities. Finally, various example design problems are shown which highlight the application of the methods presented in the thesis. These include mechanical part design, inverse/forward design of airfoils and wings, and a multidisciplinary design space study. Gradient-based optimization is used in each design problem to compare the impact of analytic and finite-difference geometry gradients on the final designs obtained. With each of these contributions, the application of CAD-by David Sergio Lazzara.Ph.D

Capturing design process information and rationale to support knowledge-based design and analysis integration

Issued as final reportUnited States. Dept. of Commerc

Fachlich erweiterbare 3D-Stadtmodelle – Management, Visualisierung und Interaktion

Domain-extendable semantic 3D city models are complex mappings and inventories of the urban environment which can be utilized as an integrative information backbone to facilitate a range of application fields like urban planning, environmental simulations, disaster management, and energy assessment. Today, more and more countries and cities worldwide are creating their own 3D city models based on the CityGML specification which is an international standard issued by the Open Geospatial Consortium (OGC) to provide an open data model and XML-based format for describing the relevant urban objects with regards to their 3D geometry, topology, semantics, and appearance. It especially provides a flexible and systematic extension mechanism called “Application Domain Extension (ADE)” which allows third parties to dynamically extend the existing CityGML definitions with additional information models from different application domains for representing the extended or newly introduced geographic object types within a common framework. However, due to the consequent large size and high model complexity, the practical utilization of country-wide CityGML datasets has posed a tremendous challenge regarding the setup of an extensive application system to support the efficient data storage, analysis, management, interaction, and visualization. These requirements have been partly solved by the existing free 3D geo-database solution called ‘3D City Database (3DCityDB)’ which offers a rich set of functionalities for dealing with standard CityGML data models, but lacked the support for CityGML ADEs. The key motivation of this thesis is to develop a reliable approach for extending the existing database solution to support the efficient management, visualization, and interaction of large geospatial data elements of arbitrary CityGML ADEs. Emphasis is first placed on answering the question of how to dynamically extend the relational database schema by parsing and interpreting the XML schema files of the ADE and dynamically create new database tables accordingly. Based on a comprehensive survey of the related work, a new graph-based framework has been proposed which uses typed and attributed graphs for semantically representing the object-oriented data models of CityGML ADEs and utilizes graph transformation systems to automatically generate compact table structures extending the 3DCityDB. The transformation process is performed by applying a series of fine-grained graph transformation rules which allow users to declaratively describe the complex mapping rules including the optimization concepts that are employed in the development of the 3DCityDB database schema. The second major contribution of this thesis is the development of a new multi-level system which can serve as a complete and integrative platform for facilitating the various analysis, simulation, and modification operations on the complex-structured 3D city models based on CityGML and 3DCityDB. It introduces an additional application level based on a so-called ‘app-concept’ that allows for constructing a light-weight web application to reach a good balance between the high data model complexity and the specific application requirements of the end users. Each application can be easily built on top of a developed 3D web client whose functionalities go beyond the efficient 3D geo-visualization and interactive exploration, and also allows for performing collaborative modifications and analysis of 3D city models by taking advantage of the Cloud Computing technology. This multi-level system along with the extended 3DCityDB have been successfully utilized and evaluated by many practical projects.Fachlich erweiterbare semantische 3D-Stadtmodelle sind komplexe Abbildungen und Datenbestände der städtischen Umgebung, die als ein integratives Informationsrückgrat genutzt werden können, um eine Reihe von Anwendungsfeldern wie z. B. Stadtplanung, Umweltsimulationen, Katastrophenmanagement und Energiebewertung zu ermöglichen. Heute schaffen immer mehr Länder und Städte weltweit ihre eigenen 3D-Stadtmodelle auf Basis des internationalen Standards CityGML des Open Geospatial Consortium (OGC), um ein offenes Datenmodell und ein XML-basiertes Format zur Beschreibung der relevanten Stadtobjekte in Bezug auf ihre 3D-Geometrien, Topologien, Semantik und Erscheinungen zur Verfügung zu stellen. Es bietet insbesondere einen flexiblen und systematischen Erweiterungsmechanismus namens „Application Domain Extension“ (ADE), der es Dritten ermöglicht, die bestehenden CityGML-Definitionen mit zusätzlichen Informationsmodellen aus verschiedenen Anwendungsdomänen dynamisch zu erweitern, um die erweiterten oder neu eingeführten Stadtobjekt-Typen innerhalb eines gemeinsamen Framework zu repräsentieren. Aufgrund der konsequent großen Datenmenge und hohen Modellkomplexität bei der praktischen Nutzung der landesweiten CityGML-Datensätze wurden jedoch enorme Anforderungen an den Aufbau eines umfangreichen Anwendungssystems zur Unterstützung der effizienten Speicherung, Analyse, Verwaltung, Interaktion und Visualisierung der Daten gestellt. Die bestehende kostenlose 3D-Geodatenbank-Lösung „3D City Database“ (3DCityDB) entsprach bereits teilweise diesen Anforderungen, indem sie zwar eine umfangreiche Funktionalität für den Umgang mit den Standard-CityGML-Datenmodellen, jedoch keine Unterstützung für CityGML-ADEs bietet. Die Schlüsselmotivation für diese Arbeit ist es, einen zuverlässigen Ansatz zur Erweiterung der bestehenden Datenbanklösung zu entwickeln, um das effiziente Management, die Visualisierung und Interaktion großer Datensätze beliebiger CityGML-ADEs zu unterstützen. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Beantwortung der Schlüsselfrage, wie man das relationale Datenbankschema dynamisch erweitern kann, indem die XML-Schemadateien der ADE analysiert und interpretiert und anschließend dem entsprechende neue Datenbanktabellen erzeugt werden. Auf Grundlage einer umfassenden Studie verwandter Arbeiten wurde ein neues graphbasiertes Framework entwickelt, das die typisierten und attributierten Graphen zur semantischen Darstellung der objektorientierten Datenmodelle von CityGML-ADEs verwendet und anschließend Graphersetzungssysteme nutzt, um eine kompakte Tabellenstruktur zur Erweiterung der 3DCityDB zu generieren. Der Transformationsprozess wird durch die Anwendung einer Reihe feingranularer Graphersetzungsregeln durchgeführt, die es Benutzern ermöglicht, die komplexen Mapping-Regeln einschließlich der Optimierungskonzepte aus der Entwicklung des 3DCityDB-Datenbankschemas deklarativ zu formalisieren. Der zweite wesentliche Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen mehrstufigen Systemkonzepts, das auf CityGML und 3DCityDB basiert und gleichzeitig als eine komplette und integrative Plattform zur Erleichterung der Analyse, Simulationen und Modifikationen der komplex strukturierten 3D-Stadtmodelle dienen kann. Das Systemkonzept enthält eine zusätzliche Anwendungsebene, die auf einem sogenannten „App-Konzept“ basiert, das es ermöglicht, eine leichtgewichtige Applikation bereitzustellen, die eine gute Balance zwischen der hohen Modellkomplexität und den spezifischen Anwendungsanforderungen der Endbenutzer erreicht. Jede Applikation lässt sich ganz einfach mittels eines bereits entwickelten 3D-Webclients aufbauen, dessen Funktionalitäten über die effiziente 3D-Geo-Visualisierung und interaktive Exploration hinausgehen und auch die Durchführung kollaborativer Modifikationen und Analysen von 3D-Stadtmodellen mit Hilfe von der Cloud-Computing-Technologie ermöglichen. Dieses mehrstufige System zusammen mit dem erweiterten 3DCityDB wurde erfolgreich in vielen praktischen Projekten genutzt und bewertet

Fachlich erweiterbare 3D-Stadtmodelle – Management, Visualisierung und Interaktion

Domain-extendable semantic 3D city models are complex mappings and inventories of the urban environment which can be utilized as an integrative information backbone to facilitate a range of application fields like urban planning, environmental simulations, disaster management, and energy assessment. Today, more and more countries and cities worldwide are creating their own 3D city models based on the CityGML specification which is an international standard issued by the Open Geospatial Consortium (OGC) to provide an open data model and XML-based format for describing the relevant urban objects with regards to their 3D geometry, topology, semantics, and appearance. It especially provides a flexible and systematic extension mechanism called “Application Domain Extension (ADE)” which allows third parties to dynamically extend the existing CityGML definitions with additional information models from different application domains for representing the extended or newly introduced geographic object types within a common framework. However, due to the consequent large size and high model complexity, the practical utilization of country-wide CityGML datasets has posed a tremendous challenge regarding the setup of an extensive application system to support the efficient data storage, analysis, management, interaction, and visualization. These requirements have been partly solved by the existing free 3D geo-database solution called ‘3D City Database (3DCityDB)’ which offers a rich set of functionalities for dealing with standard CityGML data models, but lacked the support for CityGML ADEs. The key motivation of this thesis is to develop a reliable approach for extending the existing database solution to support the efficient management, visualization, and interaction of large geospatial data elements of arbitrary CityGML ADEs. Emphasis is first placed on answering the question of how to dynamically extend the relational database schema by parsing and interpreting the XML schema files of the ADE and dynamically create new database tables accordingly. Based on a comprehensive survey of the related work, a new graph-based framework has been proposed which uses typed and attributed graphs for semantically representing the object-oriented data models of CityGML ADEs and utilizes graph transformation systems to automatically generate compact table structures extending the 3DCityDB. The transformation process is performed by applying a series of fine-grained graph transformation rules which allow users to declaratively describe the complex mapping rules including the optimization concepts that are employed in the development of the 3DCityDB database schema. The second major contribution of this thesis is the development of a new multi-level system which can serve as a complete and integrative platform for facilitating the various analysis, simulation, and modification operations on the complex-structured 3D city models based on CityGML and 3DCityDB. It introduces an additional application level based on a so-called ‘app-concept’ that allows for constructing a light-weight web application to reach a good balance between the high data model complexity and the specific application requirements of the end users. Each application can be easily built on top of a developed 3D web client whose functionalities go beyond the efficient 3D geo-visualization and interactive exploration, and also allows for performing collaborative modifications and analysis of 3D city models by taking advantage of the Cloud Computing technology. This multi-level system along with the extended 3DCityDB have been successfully utilized and evaluated by many practical projects.Fachlich erweiterbare semantische 3D-Stadtmodelle sind komplexe Abbildungen und Datenbestände der städtischen Umgebung, die als ein integratives Informationsrückgrat genutzt werden können, um eine Reihe von Anwendungsfeldern wie z. B. Stadtplanung, Umweltsimulationen, Katastrophenmanagement und Energiebewertung zu ermöglichen. Heute schaffen immer mehr Länder und Städte weltweit ihre eigenen 3D-Stadtmodelle auf Basis des internationalen Standards CityGML des Open Geospatial Consortium (OGC), um ein offenes Datenmodell und ein XML-basiertes Format zur Beschreibung der relevanten Stadtobjekte in Bezug auf ihre 3D-Geometrien, Topologien, Semantik und Erscheinungen zur Verfügung zu stellen. Es bietet insbesondere einen flexiblen und systematischen Erweiterungsmechanismus namens „Application Domain Extension“ (ADE), der es Dritten ermöglicht, die bestehenden CityGML-Definitionen mit zusätzlichen Informationsmodellen aus verschiedenen Anwendungsdomänen dynamisch zu erweitern, um die erweiterten oder neu eingeführten Stadtobjekt-Typen innerhalb eines gemeinsamen Framework zu repräsentieren. Aufgrund der konsequent großen Datenmenge und hohen Modellkomplexität bei der praktischen Nutzung der landesweiten CityGML-Datensätze wurden jedoch enorme Anforderungen an den Aufbau eines umfangreichen Anwendungssystems zur Unterstützung der effizienten Speicherung, Analyse, Verwaltung, Interaktion und Visualisierung der Daten gestellt. Die bestehende kostenlose 3D-Geodatenbank-Lösung „3D City Database“ (3DCityDB) entsprach bereits teilweise diesen Anforderungen, indem sie zwar eine umfangreiche Funktionalität für den Umgang mit den Standard-CityGML-Datenmodellen, jedoch keine Unterstützung für CityGML-ADEs bietet. Die Schlüsselmotivation für diese Arbeit ist es, einen zuverlässigen Ansatz zur Erweiterung der bestehenden Datenbanklösung zu entwickeln, um das effiziente Management, die Visualisierung und Interaktion großer Datensätze beliebiger CityGML-ADEs zu unterstützen. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Beantwortung der Schlüsselfrage, wie man das relationale Datenbankschema dynamisch erweitern kann, indem die XML-Schemadateien der ADE analysiert und interpretiert und anschließend dem entsprechende neue Datenbanktabellen erzeugt werden. Auf Grundlage einer umfassenden Studie verwandter Arbeiten wurde ein neues graphbasiertes Framework entwickelt, das die typisierten und attributierten Graphen zur semantischen Darstellung der objektorientierten Datenmodelle von CityGML-ADEs verwendet und anschließend Graphersetzungssysteme nutzt, um eine kompakte Tabellenstruktur zur Erweiterung der 3DCityDB zu generieren. Der Transformationsprozess wird durch die Anwendung einer Reihe feingranularer Graphersetzungsregeln durchgeführt, die es Benutzern ermöglicht, die komplexen Mapping-Regeln einschließlich der Optimierungskonzepte aus der Entwicklung des 3DCityDB-Datenbankschemas deklarativ zu formalisieren. Der zweite wesentliche Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen mehrstufigen Systemkonzepts, das auf CityGML und 3DCityDB basiert und gleichzeitig als eine komplette und integrative Plattform zur Erleichterung der Analyse, Simulationen und Modifikationen der komplex strukturierten 3D-Stadtmodelle dienen kann. Das Systemkonzept enthält eine zusätzliche Anwendungsebene, die auf einem sogenannten „App-Konzept“ basiert, das es ermöglicht, eine leichtgewichtige Applikation bereitzustellen, die eine gute Balance zwischen der hohen Modellkomplexität und den spezifischen Anwendungsanforderungen der Endbenutzer erreicht. Jede Applikation lässt sich ganz einfach mittels eines bereits entwickelten 3D-Webclients aufbauen, dessen Funktionalitäten über die effiziente 3D-Geo-Visualisierung und interaktive Exploration hinausgehen und auch die Durchführung kollaborativer Modifikationen und Analysen von 3D-Stadtmodellen mit Hilfe von der Cloud-Computing-Technologie ermöglichen. Dieses mehrstufige System zusammen mit dem erweiterten 3DCityDB wurde erfolgreich in vielen praktischen Projekten genutzt und bewertet

Annals of Scientific Society for Assembly, Handling and Industrial Robotics 2021

This Open Access proceedings presents a good overview of the current research landscape of assembly, handling and industrial robotics. The objective of MHI Colloquium is the successful networking at both academic and management level. Thereby, the colloquium focuses an academic exchange at a high level in order to distribute the obtained research results, to determine synergy effects and trends, to connect the actors in person and in conclusion, to strengthen the research field as well as the MHI community. In addition, there is the possibility to become acquatined with the organizing institute. Primary audience is formed by members of the scientific society for assembly, handling and industrial robotics (WGMHI)

Annals of Scientific Society for Assembly, Handling and Industrial Robotics 2021

This Open Access proceedings presents a good overview of the current research landscape of assembly, handling and industrial robotics. The objective of MHI Colloquium is the successful networking at both academic and management level. Thereby, the colloquium focuses an academic exchange at a high level in order to distribute the obtained research results, to determine synergy effects and trends, to connect the actors in person and in conclusion, to strengthen the research field as well as the MHI community. In addition, there is the possibility to become acquatined with the organizing institute. Primary audience is formed by members of the scientific society for assembly, handling and industrial robotics (WGMHI)

Annals of Scientific Society for Assembly, Handling and Industrial Robotics 2021

This Open Access proceedings presents a good overview of the current research landscape of assembly, handling and industrial robotics. The objective of MHI Colloquium is the successful networking at both academic and management level. Thereby, the colloquium focuses an academic exchange at a high level in order to distribute the obtained research results, to determine synergy effects and trends, to connect the actors in person and in conclusion, to strengthen the research field as well as the MHI community. In addition, there is the possibility to become acquatined with the organizing institute. Primary audience is formed by members of the scientific society for assembly, handling and industrial robotics (WGMHI)

32. Forum Bauinformatik 2021

Das Forum Bauinformatik ist eine jährlich stattfindende Tagung und ein wichtiger Bestandteil der Bauinformatik im deutschsprachigen Raum. Insbesondere Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern bietet es die Möglichkeit, ihre Forschungsarbeiten zu präsentieren, Problemstellungen fachspezifisch zu diskutieren und sich über den neuesten Stand der Forschung zu informieren. Es bietet sich ausgezeichnete Gelegenheit, in die wissenschaftliche Gemeinschaft im Bereich der Bauinformatik einzusteigen und Kontakte mit anderen Forschenden zu knüpfen