TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Fachgebiet Anwendungen der Virtuellen Produktentwicklung Model Libraries for Conceptual Design Stefan J. Wölkl Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr-Ing. U. Lindemann 1. Univ.-Prof. K. Shea, Ph.D., Prüfer der Dissertation: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich | Schweiz 2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. B. Vogel-Heuser Die Dissertation wurde am 16.10.2012 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen am 6.02.2013 angenommen. Listed Publications are part of this thesis, recent publications are presented first. Kruse, B.; Münzer, C.; Wölkl, S.; Shea S.; Canedo, A.; Workflow and Modeling Conventions for FBS Modeling of Mechatronic Systems in SysML using Libraries, International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference. Chicago, IL, 2012 Wölkl, S.; Shea, K.: Modellbibliotheken für die Funktions- und Komponentenmodel- lierung in der Konzeptentwicklung mit SysML, Wissenschaftsforum Intelligente Technische Systeme 2011, 8.Paderborner Workshop Entwurf Mechatronischer Systeme, HNI Verlagsschriftenreihe Band294, Paderborn, 2011 Wölkl, S.; Shea, K.: A Computational Product Model for Conceptual Design Using SysML, International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference. San Diego, CA, 2009. DANKSAGUNG Diese Arbeit entstand im Rahmen meines Engagements am Fachgebiet Anwendungen der virtuellen Produktentwicklung neben meiner hauptberuflichen Tätigkeit in der Technischen Entwicklung der Audi AG. Mein besonderer Dank geht an Prof. Dr. Kristina Shea, die mir durch ihre Aufnahme in das Fachgebiet die faszinierende Welt der wissenschaftlichen Arbeit eröffnete. Durch ihre scharfsinnigen, aber stets fairen Reviews entstand aus dem „wishy- washy“ der ersten wissenschaftlichen Gehversuche eine wissenschaftlich erstzunehmende Arbeit. Außerdem schaffe ich es nun durch ihr „Practice, practice, practice“! Präsentationen in einem verständlichen Englisch zu halten. Thanks! Die Anregung zum Promotionsvorhaben gab Dr. Felix Tropschuh. Meine Vorgesetzten der Audi AG unterstützten mein Projekt, indem sie mir eine flexible Zeiteinteilung zugestanden und die Durchführung der Modellierungsstudie bewilligt haben. Die Mitarbeiter des Lehrstuhls für Produktentwicklung nahmen mich als Externen freundschaftlich auf und boten ein perfektes Übungsfeld für akademische Vorträge und den akademischen Wettbewerb. Die Kollegen des Lehrstuhls standen mir stets mit Rat zur Seite und bereicherten manchen Tag mit heiteren und kulinarischen Mittagsrunden. Dank gilt den VPD-Kollegen für die hervorragende Zusammenarbeit, Unterstützung, Anregungen und Hinweise zur Literatur und das ehrliche und aufrichtige Feedback zu wissenschaftlichen Themen. Besonders brachte mich der intensive Austausch über die Modellierungsmethoden und Best Practice mit Benjamin, Bergen, Clemens und Torsten voran. Dankeschön! In Promotionsflauten ließ meine Frau Karolin den Wind der Begeisterung wieder aufkommen, organisierte die familiären Aktivitäten so, dass unsere Kinder Maria, Simon, Andreas und Veronika stets gut versorgt waren und mir genug Zeit blieb, um zwischen fordernden Berufs- und Familienleben diese Arbeit abzuschließen. Der starke Zusammenhalt in der Familie und die intensive Unterstützung durch die Großfamilie Finger machten es möglich, dass ich auch an Wochenenden forschen konnte. Herzlichen Dank, Maria, Richard, Hilde und Katrin! Bei meinen Eltern bedanke ich mich, dass sie mir durch ihre weitsichtige Entscheidung die akademische Laufbahn ermöglicht haben und mir auch zeigten, was es bedeutet große Felder zu beackern und die Früchte zu ernten. Mein Dank gilt allen Freunden und Arbeitskollegen, die mir durch Zusprüche, wohlformulierte und durchdachte Kritik und großen Einsatz Mut gemacht und mich bestärkt haben. Aus ganzem Herzen: Danke! Manching, April 2013 Stefan Wölkl Contents i CONTENTS: MODEL LIBRARIES FOR CONCEPTUAL DESIGN 1 Introduction........................................................................................................................ 1 1.1 Motivation for integrated modeling and model libraries ............................................. 2 1.2 Contributions ............................................................................................................... 3 2 Literature and related work ................................................................................................ 4 2.1 Design processes ......................................................................................................... 4 2.1.1 Design processes in product design ..................................................................... 4 2.1.2 Approaches to design of mechatronic systems .................................................... 8 2.1.3 Systems engineering approaches ....................................................................... 10 2.1.4 The Model Based Systems Engineering methodology ...................................... 12 2.2 Product modeling ...................................................................................................... 14 2.2.1 Product models and integrated product models ................................................. 15 2.2.2 Systems architecture descriptions ...................................................................... 19 2.2.3 Summary of product modeling and architectural descriptions .......................... 20 2.3 Functions in product design ...................................................................................... 20 2.3.1 Approaches to functional modeling ................................................................... 21 2.3.2 Comparison of different function lexicons ........................................................ 25 2.3.3 Functional modeling in Systems Engineering ................................................... 27 2.3.4 Summary of functions in product design and systems engineering ................... 30 2.4 Modeling Languages for Product and System Modeling .......................................... 30 2.4.1 The Unified Modeling Language ....................................................................... 31 2.4.2 Examples for the use of modeling languages in product design ........................ 33 2.4.3 The Systems Modeling Language (SysML) ...................................................... 33 2.4.4 SysML related research ...................................................................................... 34 2.4.5 Summary: use of modeling languages ............................................................... 36 2.5 Knowledge bases for engineering tasks .................................................................... 36 2.5.1 Design catalogs .................................................................................................. 36 2.5.2 Product and service classification standards (PSCS) ......................................... 38 2.5.3 Design repositories ............................................................................................. 38 2.6 Summary of background section ............................................................................... 39 Contents ii 3 Modeling example and validation study .......................................................................... 41 3.1 Modeling Example: Luggage compartment cover .................................................... 41 3.2 Validation study: 3D-printer ..................................................................................... 42 3.2.1 The RepRap project ........................................................................................... 42 3.2.2 The RepRap3D-Printer ...................................................................................... 43 4 Modeling approach for conceptual design using SysML ................................................ 45 4.1 Conceptual design approach supported with SysML ................................................ 45 4.1.1 Define and clarify design task with SysML ....................................................... 46 4.1.2 Determine functions and their structure ............................................................. 48 4.1.3 Search for components and component structures ............................................. 49 4.1.4 Summary of modeling approach with SysML ................................................... 51 4.2 Functional modeling and presentations of function structures .................................. 52 4.2.1 Principles for function model presentations ....................................................... 52 4.2.2 SysML syntax for function model representation .............................................. 55 4.2.3 SysML specification for functional modeling ................................................... 57 4.2.4 Presentation of a function structure in SysML ................................................... 58 4.3 Set up of a model library for functional modeling .................................................... 60 4.3.1 Information content of NIST Functional Basis (NIST-FB) ............................... 61 4.3.2 Transformation of NIST-FB flows in the model library .................................... 62 4.3.3 Definition of functions for the model library ....................................................