Semantic model difference identification for aerospace sheet metal part CAD models

Ghaffarishahri, Seyedmorteza (2023). Semantic model difference identification for aerospace sheet metal part CAD models. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Many product lifecycle management’s processes like information reuse can take a lot of advantage from a semantic model difference identification (MDI). A semantic MDI can be defined as a solution that identifies and represents the differences between two compared models in terms of meaningful engineering information – for instance: this hole was moved. Semantic difference identification is especially challenging due to the variety of modeling solutions, the non-uniqueness of modeling sequences and the use of low-level information in engineering communications.

This work proposes an MDI method that identifies and represents the differences between 3D Computer-Aided Design (CAD) models based on engineering semantics through features. Brake- and hydro-formed aerospace structural sheet metal parts are used as the application domain in which to propose and illustrate the method.

Because engineering communications of 3D models are commonly in low-level information i.e., B-rep models, an automated feature recognition (AFR) method is first needed. An AFR solution elevates semanticity of engineering communication information without being reliant on the suboptimal modeling solutions. Although structural sheet metal parts form a significant portion of airplanes, there is no specialized AFR method dedicated to them. Despite the presence of several AFR methods for sheet metal parts, none of them are tuned to recognize the design semantics of the aerospace industry.

This work proposes the first AFR method to recognize aerospace sheet metal features and design semantics to elevate the level of abstraction of the information from 3D STEP models. It starts with preprocessing the 3D STEP model in order to classify the topological elements of the B-rep models and create relevant novel face sets and subtypes of faces, face boundaries and edges. Then, rule-based steps are used to recognize aerospace sheet metal features. The extracted features are described by their geometry, their relationship with other features and their pertinent parameters.

Once the features are recognized, model difference identification is performed. This work’s MDI method consists mainly of a pose registration stage and a difference identification stage. The pose registration method exploits the fact that all the features of a part serve specific functions, some of which are fundamental to the part’s essential functionality, and that they are intertwined with the design intent of the part, which is particularly true for aerospace sheet metal parts. This provides the opportunity to semantically register feature-based 3D CAD models according to the unique purpose of the features in this specific domain of application. Difference identification is approached by primarily identifying and segregating the commonality between the compared 3D CAD models and then identifying the differences. The differences between 3D CAD models are classified as added, removed or differed features. The proposed MDI method describes a way to fully pose-register 3D CAD models and identify their differences semantically based solely on their features, and, by extension, their design intent.

Both the AFR and MDI methods are implemented to be validated. The prototypes are modified implementation of the original methods and the differences are outlined and pointed out. To validate the AFR method and verify its correct implementation, a collection of 26 real-world aerospace structural sheet metal parts was used to create CAD models that were subsequently converted to STEP models. The results show perfect accuracy and confirm that AFR works for this domain of application. To validate the MDI method and verify its correct implementation, 3 of the real-world ASM parts used in testing AFR prototype were modified to reflect the possible differences that could occur between similar parts in real-world scenarios. The results show perfect accuracy and confirm there is great potential for further development of MDI algorithms for feature-based models of parts from specialized domains of application.

Titre traduit

Identification sémantique des différences entre modèles CAO de pièces de métal en feuille aéronautiques

Résumé traduit

De nombreux processus inhérents à la gestion du cycle de vie des produits, comme la réutilisation des informations, peuvent bénéficier d'une identification sémantique des différences entre modèles (semantic Model Difference Identification ou semantic MDI). Une identification sémantique des différences entre modèles peut être définie comme une solution qui identifie et représente les différences, entre deux modèles faisant l’objet de la comparaison, d’une manière significative au plan de l’ingénierie – par exemple : tel trou a été déplacé. L’identification sémantique des différences est difficile en raison de la variété des logiciels de modélisation, de la non-unicité des séquences de modélisation et de l'utilisation d'informations de bas niveau dans les échanges de données.

Cette thèse propose une méthode d’identification sémantique des différences entre modèles qui identifie et représente les différences entre modèles CAO (Conception assistée par ordinateur) 3D sur la base de la sémantique propre à l'ingénierie par le biais de caractéristiques (Features). Le domaine d’application exploré est celui des pièces de structures aéronautiques faites de métal en feuille et typiquement obtenues par pliage (Brake-Forming) ou hydroformage (Hydro-Forming).

Les échanges de modèles 3D étant souvent basés sur des informations de bas niveau, c'est-à-dire des représentations par les frontières (Boundary Representation, B-rep), une méthode de reconnaissance automatique de caractéristiques (Automated Feature Recognition, AFR) est établie en premier lieu. En effet, la reconnaissance automatique de caractéristiques permet de s’affranchir des représentations de bas niveau pour élever la sémanticité des communications technique. Bien que les pièces de métal en feuille constituent une part importante des avions en service, il n'existe pas de méthode AFR spécialisée qui leur soit dédiée, et malgré la présence de plusieurs méthodes AFR pour les pièces de métal en feuille, aucune d'entre elles n'est adaptée pour reconnaître les caractéristiques particulières à l'industrie aéronautique.

Cette thèse propose donc la première méthode AFR pour reconnaître les caractéristiques de pièces de métal en feuille rencontrées au sein de structures aéronautiques afin d'élever le niveau d'abstraction de l'information manipulée à partir de modèles STEP 3D. La méthode fait d’abord un prétraitement du modèle STEP 3D afin de classer les éléments topologiques des modèles B-rep et de créer de nouveaux ensembles de faces, de sous-types de faces, de limites de faces et d'arêtes. Une démarche à base de règles est ensuite utilisée pour reconnaître les caractéristiques typiques du métal en feuille aéronautique. Les caractéristiques extraites sont décrites par leur géométrie, leurs relations avec d'autres caractéristiques et leurs paramètres pertinents.

Une fois les caractéristiques reconnues, l'identification des différences entre les modèles est effectuée. La méthode MDI proposée dans cette thèse consiste principalement en une étape de mise en correspondance sémantique (Semantic Pose Registration) des modèles suivie d’une étape d'identification de leurs différences. La méthode de mise en correspondance sémantique exploite le fait que chacune des caractéristiques d'une pièce satisfait des fonctions spécifiques, dont certaines sont prioritaires dans l'intention de conception d’une pièce de type métal en feuille aéronautique. La mise en correspondance est réalisée en s’appuyant sur les caractéristiques préalablement identifiées au sein des modèles CAO 3D et selon des priorités établies entre elles dans ce domaine d'application spécifique. L'identification des différences se fait ensuite en identifiant d’abord les caractéristiques communes aux deux modèles CAO 3D comparés, puis en identifiant les différences. Les différences entre les caractéristiques des deux modèles sont classées comme des caractéristiques ajoutées, supprimées ou différentes. Globalement, la méthode proposée pour faire la mise en correspondance sémantique des modèles CAO 3D et pour identifier de manière sémantique les différences entre ces modèles exploite les caractéristiques identifiées au sein des pièces et, par extension, les intentions de conception sous-jacentes.

Les méthodes proposées pour la reconnaissance des caractéristiques et pour l’identification sémantique des différences entre modèles sont mises en œuvre pour être validées. Les prototypes implémentent des versions légèrement modifiées des algorithmes et les modifications sont mises en évidence. Pour valider la méthode AFR et en vérifier la mise en œuvre, une collection de 26 pièces de métal en feuille tirées de structures aéronautiques réelles a été utilisée pour créer des modèles CAO qui ont ensuite été convertis au format STEP. Les résultats confirment que la méthode AFR proposée fonctionne de manière très satisfaisante pour ce domaine d'application. Pour valider la méthode MDI et en vérifier la mise en œuvre, 3 des pièces de métal en feuille utilisées pour tester le prototype AFR ont été modifiées afin de refléter les différences possibles entre des pièces similaires dans des scénarios du monde réel. Les résultats obtenus sont parfaitement conformes à ceux attendus et confirment le potentiel des algorithmes d’identification sémantique des différences entre modèles de pièces basés sur des caractéristiques dans des domaines d'application spécialisés.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 203-216).
Mots-clés libres:	pièces de métal en feuille aéronautique, reconnaissance des caractéristiques, comparaison sémantique de modèles CAO, identification des différences
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rivest, Louis
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 mars 2023 17:55
Dernière modification:	13 mars 2023 17:55
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3201

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