Wissenschaftstheoretische Grundlagen für die rechnerunterstützte Konstruktion (eBook)

Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. Ralf-Stefan Lossack (geb. 1962) studierte und promovierte (1997) an der Universität Karlsruhe. Im Anschluss forschte er an der Universität von Tokio an neuen Modellen für rechnerunterstützte Konstruktionsprozesse. Seit 1998 war Dr. Lossack Oberingenieur und stellvertretender Leiter des Instituts für Rechneranwendung in Planung und Konstruktion an der Universität Karlsruhe und habilitierte sich im Fachgebiet der Rechnerunterstützten Konstruktion. Ab 2004 leitete er in Graz den Bereich Virtuelles Engineering am Kompetenzzentrum – Virtuelles Fahrzeug mbH und ist seit 2005 bei der Magna Steyr Fahrzeugtechnik Projektleiter für Themen der virtuellen Produktentwicklung.

Geleitwort 6
Vorwort 10
Inhaltsverzeichnis 12
1 Einleitung 16
1.1 Konstruktionstheorie und rechnerunterstütztes Konstruieren 18
1.2 Zielsetzung des Buches 21
1.3 Aufbau des Buches 21
2 Aspekte der Virtualisierung von Konstruktionsprozessen 24
2.1 Konstruieren im Produktlebenszyklus 25
2.2 Modelle des Konstruktionsprozesses 28
2.2.1 Historische Entwicklung 28
2.2.2 Präskriptive Konstruktionsprozessmodelle 29
2.2.3 Deskriptive Konstruktionsprozessmodelle 45
2.3 Methodik der Produktmodellierung 45
2.3.1 Modell und Realität 46
2.3.2 Produkt und Produktmodell 46
2.3.3 Der rechnerunterstützte Produktentwicklungsprozess 48
2.3.4 Virtuelle Produktentstehung 50
2.3.5 Integriertes Produktmodell 51
2.3.6 Methodik der Integration von Produktmodellen 56
2.4 Kognitive Systeme und Künstliche Intelligenz 59
2.4.1 Kognitionswissenschaft 61
2.4.2 Kognitionsbegriff und kognitives System 63
2.4.3 Das Konzept der Wissensebene 65
2.4.4 Methodologie der Kognitionswissenschaft 68
2.4.5 Tektonik kognitiver Systeme 75
2.5 Fazit 82
3 Wissenschaftstheoretische Grundlagen 86
3.1 Logik und Wissenschaft in der Antike 87
3.1.1 Aristoteles' Wissenschaftskonzept 87
3.1.2 Die Pythagoräische Schule und der Piatonismus 95
3.1.3 Wirklichkeit als mathematisches Modell 95
3.1.4 Das Ideal der deduktiven Systematisierung 96
3.2 Die Newton'sche Methode 98
3.2.1 Die axiomatische Methode 98
3.2.2 Die Methode der Analyse und Synthese 100
3.2.3 Der Newtonian Style 100
3.2.4 Analyse und Synthese versus Axiomatik 101
3.3 Verschiedene Stile der Axiomatisierung 102
3.3.1 Evidentiell-konkreter Stil 102
3.3.2 Demokratisch-abstrakter Stil 103
3.3.3 Hierarchisch-anwendungsorientierter Stil 104
3.4 Die Struktur von Theorien im logischen Empirismus 105
3.4.1 Eine Hierarchie von Sprachebenen 105
3.4.2 Verknüpfung von Beobachtung und Theorie 106
3.4.3 Das deduktive Erklärungsmuster 109
3.5 Strukturalistischer Theoriebegriff 112
3.5.1 Formalisierung von Theorien 114
3.5.2 Mathematische Struktur einer Theorie 116
3.5.3 Intendierte Anwendungen einer Theorie 118
3.5.4 Bestimmung der Modelle einer Theorie 121
3.5.5 Empirische Behauptung einer Theorie 122
3.5.6 Theoretische Terme und der epistemologische Zirkel 124
3.5.7 Struktur einer Theorie 126
3.5.8 Theoriebegriff im Strukturalismus 127
3.6 Fazit 130
4 Theoriebegriff in den Natur- und Ingenieurwissenschaften 136
4.1 Verhältnis von Natur- und Ingenieurwissenschaften 138
4.2 Theorien in den Natur- und der Ingenieurwissenschaften 141
4.2.1 Substantive und operative Theorien 141
4.2.2 Rolle der Theorie in den Natur- und Ingenieurwissenschaften 142
4.2.3 Regelwerk einer ingenieurwissenschaftlichen Theorie 144
4.2.4 Strukturprinzipien ingenieurwissenschaftlicher Theorien 147
4.3 Grundformen wissenschaftlicher Erklärungen für das Konstruieren 149
4.3.1 Kausalerklärung 150
4.3.2 Funktionalerklärung 152
4.3.3 Intentionalerklärung 154
4.4 Fazit 155
5 Logiken für das Konstruieren 160
5.1 Logik und Erfahrung 160
5.2 Schlussformen in der Konstruktion 165
5.2.1 Aussagenlogik 165
5.2.2 Prädikatenlogik 167
5.2.3 Modallogik 171
5.3 Logisches Schließen in der Konstruktion 174
5.3.1 Deduktion 174
5.3.2 Induktion 177
5.3.3 Abduktion 179
5.3.4 Innoduktion 181
5.3.5 Innoduktion in Erkenntnis- und Wissenschaftstheorie 187
5.4 Logik der Handlung 187
5.4.1 Kategorien von Handlungstheorien 189
5.4.2 Praktisches Schließen 190
5.4.3 Handlung und Logik der Veränderung 193
5.4.4 Kalkül einer Handlungslogik 195
5.5 Fazit 197
6 Ausgewählte Konstruktionstheorieen 202
6.1 Situiertes Handeln im Function-Behaviour-Structure Modell 203
6.1.1 Function-Behaviour-Structure-Modell (FBS-Modell) 203
6.1.2 No-function-in-structure Prinzip 204
6.1.3 Konstruktionsprozess im FBS-Modell 205
6.1.4 Die Elementarprozesse 206
6.1.5 Konstruieren als Zustandsänderung im Konstruktionszustandsraum 209
6.1.6 Design Prototypes 210
6.1.7 Konstruktionsarten im FBS-Modell 211
6.1.8 Emergenz und Situiertheit 212
6.1.9 Modell der Situiertheit 213
6.1.10 Constructive Memory 215
6.1.11 Situiertes FBS-Modell 215
6.1.12 Fazit 215
6.2 Knowledge Level Theory of Design 218
6.2.1 Funktion einer Theorie 219
6.2.2 Konstruktionstheorie auf der Wissensebene 220
6.2.3 Knowledge Level Theory of Designing (KLD0E) 221
6.2.4 Die Grundstruktur von KLD0E 222
6.2.5 Die Grundform von KLD0E 225
6.2.6 Situatedness of Designing 226
6.2.7 KLD0E und Konstruktionsarten 227
6.2.8 Theorie, Modell und Verifikation 229
6.2.9 Fazit 230
6.3 General Design Theory 231
6.3.1 Definitionen 234
6.3.2 Axiome 238
6.3.3 Ideales Wissen 241
6.3.4 Reales Wissen 243
6.3.5 GDT und CAD-Systeme 245
6.3.6 Fazit 246
6.4 Eine Logik der Synthese 248
6.4.1 Analyse und Synthese 251
6.4.2 Rahmenwerk für ein Modell der Synthese 254
6.4.3 Wissensoperatoren und Verifikation des Synthesemodells 255
6.4.4 Fazit 256
6.5 Concept Knowledge Theory 257
6.5.1 Elemente und Prinzipien der C-K-Theorie 258
6.5.2 Die vier C-K-Operatoren und das „Design Square" 261
6.5.3 Fazit 263
7 Grundlagen zu einer domänenunabhängigen Konstruktionstheorie 266
7.1 Ausgangssituation und Problemstellung 266
7.2 Lösungsansatz 268
7.3 Architektur und Implementierung der UDT 270
7.4 Kern einer domänenunabhängigen Konstruktionstheorie 271
7.5 Basiselemente und Elemente 272
7.6 Axiome und Theoreme 276
7.7 Anforderungen und Anforderungssystem 277
7.8 Lösung und Lösungsbereiche 282
7.9 Modell des Konstruktionsprozesses 283
7.10 Lösungsmuster 287
7.10.1 Objektmuster 288
7.10.2 Prozessmuster 294
7.11 Systemkonzept des Konstruktionsarbeitsraums 300
7.11.1 Definitionen zum Begriff Konstruktionsarbeitsraum 301
7.11.2 Darstellung der Definitionen 303
7.11.3 Konstruktionsarbeitsräume und Lösungsmuster 306
7.12 Beispiele aus Domänen außerhalb des Maschinenbaus 308
7.13 Vorgehen beim Test einer Konstruktionstheorie 312
8 Ausblick 314
9 Zusammenfassung 318
Literaturverzeichnis 324