Capture and Reuse of Engineering Knowledge in Digital Twins

I dag møter industrien utfordringer med å integrere data fra ulike programvareapplikasjoner og domener. Standardbaserte løsninger, som ISO 10303, er i økende grad anerkjent for å løse dette problemet. En sammenhengende og helhetlig digital tvilling kan tjene som kunnskapsbase for produktet mens det er i drift. Designets hensikt kan tas vare på samt hendelser under produktets levetid. Dagens manglende verktøyuavhengige tilgang til slik informasjon er et viktig hinder for innovasjon. I dag brukes store ressurser på å gjenskape ingeniørkunnskap som en gang fantes. Dette PhD-prosjektet adresserer slike spørsmål. Dermed berører det den strategiske betydningen av tekniske data som en representasjon av kunnskap for industrien. Prosjektet har i sitt første år konkludert med hvordan datamodellen ISO 10303-209 (AP209) burde anvendes og utvides for å representere strukturelle testdata med tilhørende simuleringsdata. Denne modellen vil muliggjøre dataforvaltning på tvers av FEM og strukturell testing. Følgende nye typer data kan nå bli representert ved hjelp av AP209: - Egenskaper for sensorer som brukes i fysiske tester - Tester utført på et produkt - Relasjoner mellom sensorer og FEM elementer - Relasjoner mellom tester og sensorer - Relasjoner mellom tester og laster i en FEM-modell - Relasjoner mellom strukturelle testresultater, tester og sensorer - Posisjoner og orienteringer av sensorer Prosjektet har også integrert analyse og strukturelle testdata med PDM data og konfigurasjonsmetadata som vanligvis brukes i produktutvikling, og har implementert dette i et SDM-verktøy. Prosjektet har i andre året designet, analysert og konstruert en kompleks flydel, som videre ble fysisk testet. - Arbeidet relatert til bruken og forbedringen av STEP AP209 standarden har fortsatt, spesielt ved implementering i SDM applikasjon. - En datakonverter for å prosessere strukturelle test og FEA data utviklet det første året, ble betydelig forbedret i det andre året. - Et verktøy for å prosessere AP209 modeller med strukturell test og FEA data har blitt utviklet. Verktøyet lar brukeren investigere strukturelle test resultater, FEA resultater og deres relasjoner vha. plottede grafer. - Et verktøy for å prosessere AP209 modeller med sensor informasjon og FEA modeller ble utviklet for å kunne visualisere strekklapper med posisjon og retning på relaterte FEA mesh. Forskningsartikkelen "Relating structural test and FEA data with STEP AP209" ble fullført og publisert i "Advances in Engineering Software". STEP er et relativt avansert format, og det kan være vanskelig å validere STEP filer/modeller generert fra forskjellige verktøy. Derfor ble det utviklet en applikasjon; STEP Explorer. Denne kan bli brukt til å visualisere og utforske STEP-modellinnhold på en enkel og intuitiv måte. Forskning på et nytt emnet ble startet; hvordan inkludere ikke-lineære analyser i AP209: - STEP AP209 var designet for å dekke lineære statiske og modale analyser. Vi undersøkte hvordan standarden kan bli forbedret til å dekke mer avanserte analyser, spesielt ikke-lineære analyser. - Undersøkt velkjente simuleringsverktøy og hvordan analysene disse dekker kan bli standardisert. - Begynt å utvikle en konverter mellom Ansys og AP209. - Startet en forskningsartikkel på dette temaet. Under det tredje året av PhD-prosjektet fortsatte forskningen på hvordan AP209 kan dekke ikke-lineære analyser. En utvidet versjon av AP209 som dekker følgende FEM-emner ble laget: - Analyse-klassifikasjon basert på om analysen er; statisk eller dynamisk, "buckling", lineær eller ikke-lineær, modal eller frekvens respons, implisitt eller eksplisitt, osv. - Generisk representasjon av analyseparametere (f.eks. relatert til last-inkrementer, iterasjoner, konvergering osv.) - Tidsvarierende laster og "boundary conditions" - Elementkontakt - Ikke-lineære materialer Datakonverteren som var startet i år 2 ble videreutviklet og dekker nå følgende oversettelser: - NASTRAN til og fra AP209 - AP209 til ANSYS - Abaqus til AP209 FEM-testmodeller som dekker hoveddelene av den nye AP209 modellen ble laget i Abaqus. Disse ble oversatt til Nastran og Ansys, og ved å utføre og sammenligne resultatene på hver test, kunne den nye AP209 modellen bli validert ved å vise at all nødvendig data var dekket. Arbeidet og forskningen ble dokumentert i to akademiske artikler: 1) "ISO 10303 AP209 - Why and how to embed nonlinear FEA" (under review) 2) "Extending ISO 10303-209 for Nonlinear Finite Element Analysis" (sendt inn) Begge artiklene ble sent til journalen Advances in Engineering Knowledge. En fjerde artikkel som dekker elementkontakt og ikke-lineære materialer ble ikke laget for publisering, men er dokumentert i et appendiks i PhD avhandlingen.

The ISO 10303 AP209 standard is not well known by all who could take advantage from it. Three academic papers related to AP209 have been produced, which will foster scientific discussion of data interoperability issues and helped to start several R&D projects; these will make the standard more available for the industry. Results of this PhD project are expected to be documented in updated versions of the standard itself. AP209 will enable industry and software vendors to increase the efficiency of their processes and those of their customers. This may lead to more effective data interoperability, data management and long term archiving of simulation and test data. During an on-going industry project, additional use cases involving data that are not covered in this thesis, will be addressed. This and future projects will require additional AP209 recommendations and extensions, but will be based on the current results of this PhD project.

The Aerospace and Defense industry addresses today configuration control of product data and their sharing by frameworks for data management and for data interoperability. Data management is resolved by a holistic approach that collects all product related data or references to them in one location. This leads to a comprehensive and consistent repository of product lifecycle data, a digital twin. Applications for product lifecycle management, PLM, and simulation data management, SDM, exist, but they do not provide the required sustainable architecture as they are not openly interoperable and standards based. They do not give control to industry over their own data. Interoperability of product data is resolved by applying standards for the exchange and sharing of data, first of all ISO 10303, STEP. The scope of engineering data is best supported by ISO 10303-209, Multidisciplinary analysis and design. This project will benefit manufacturers and users of complex engineering assets, such as, aircraft, ships and oil&gas installations. They need to be given full control over their product data and associated knowledge throughout the potentially long lifetime of the physical twins. Long term data retention of engineering data and knowledge need to be resolved to allow manufacturers to produce and deliver comprehensive sets of design, simulation and test data to enable user organizations to support and upgrade such assets. Jotne is cooperating in R&D projects with relevant manufacturers, such as, Airbus, Boeing and Lockheed Martin. This PhD study will interact with these companies to collect requirements, receive test data and evaluate solutions. The project will also communicate closely with the ISO community for ISO 10303, STEP, to validate and possibly improve digital twin related standards. For Jotne the project will improve our commercial suite of STEP software applications.