Methods for Analyzing Complex and Holistic Interactions in Early-stage design: A framework integrating Network Theory, Sensitivity Analysis, and Structural Equation Modelling for analyzing interactions among subsystems in early-stage design
2025 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]
The conventional approach to vehicle design is inherently restrictive in analysing complex interactions and the resulting knock-on effects. This often leads to disharmonious solutions and increased design iterations. To overcome this, the focus needs to shift to early-stage design where there is freedom to explore design alternatives. But, this phase typically has limited information about system behaviour, entailing the need for holistic multidisciplinary models and robust methods. However, the methods and models available often focus on single aspect in isolation, which necessitates the need for an integrated framework.
This thesis proposes a framework that analyses complex and holistic interactions within multidisciplinary systems to investigate how the variation in input propagates as knock-on effects and ultimately influences the system outputs. To achieve this, the framework is structured into five distinct phases. Each phase aims to address the research questions formulated and fulfil the functions of the framework. The framework integrates multidisciplinary modelling techniques with network theory to capture complex interactions. Global Sensitivity Analysis (GSA) methods are combined with tailored network algorithms to identify the interactions relevant to a specific input and output. These identified interactions are then quantified using curve fitting and two directional sensitivity measures, Average Local Sensitivity Coefficient (ALSC) and Average Combined Sensitivity Coefficient (ACSC), which were proposed in this thesis. Finally, Structural Equation Modelling (SEM) is utilised to investigate how input variations propagate as knock-on effects through intermediate variables, ultimately influencing system outputs.
The framework's capabilities were demonstrated through two case studies. An intra-subsystem interaction analysis with traction motor and an inter-subsystem interaction analysis involving a traction motor and a passive cooling model of an inverter. In the intra-subsystem case study, the framework successfully identified three influential inputs (voltage (U), rated power (Prated), and frequency (f)) for the chosen output of interest (rotor resistance (R'r)), and reduced the number of factors to consider in the analysis by 92.51% for U, 89.42% for Prated, and 93.83% for f. The results obtained from the framework was compared to the results from GSA methods, which showed a maximum error of 3%, thereby validating the proposed framework's ability to calculate the knock-on effects and the total impact while preserving the input-output relationship. Furthermore, the framework revealed insights into nuances of knock-on effects and total impact, such as the finding that the rated power induced more design changes despite having similar influence on the output as frequency.
In the inter-subsystem interaction analysis, the framework was similarly able to identify the influential input (Prated) for the chosen output of interest (Tbase,max), and reduced the number of factors to consider by 57%. The validation step revealed an error of 6.77%, which was acceptable considering the complexity of the network that involves 3568 paths between the input and the output. Furthermore, while calculating the direct ALSC value using curve fitting, it was observed that Tbase,max had distinct clusters across specific ranges of motor power values which was attributed to the presence of incorporated design margins and complex interactions in the traction motor model.
Thus, this thesis delivers a framework that is capable of systematically capturing, quantifying, and analysing complex and holistic interactions in a multidisciplinary system to investigate and quantify the knock-on effects and the total impact of varying an input on an output. It serves as a valuable comprehensive guide in early-stage design for designers to identify an effective input to significantly influence a specific output and understand the consequence of modifying that chosen input.
Abstract [sv]
Den konventionella metoden för fordonsdesign är i sig restriktiv när det gäller att analysera komplexa interaktioner och de resulterande kedjeeffekterna (knock-on effects). Detta leder ofta till lösningar som inte fungerar bra tillsammans och till fler interationer under designprocessen. För att övervinna detta behöver fokus flyttas till tidig designfas där det finns frihet att utforska designalternativ. Men denna fas kännetecknas typiskt av begränsad information om systembeteende, vilket medför behovet av holistiska tvärvetenskapliga modeller och robusta metoder. De tillgängliga metoderna och modellerna fokuserar dock ofta på enskilda aspekter isolerat, vilket nödvändiggör ett integrerat ramverk.
Denna avhandling föreslår ett ramverk som analyserar komplexa och holistiska interaktioner inom tvärvetenskapliga system för att undersöka hur variationen i indata sprids som kedjeeffekter och slutligen påverkar systemutdata. För att uppnå detta är ramverket strukturerat i fem distinkta faser. Varje fas syftar till att adressera de formulerade forskningsfrågorna och uppfylla ramverkets funktioner. Ramverket integrerar tvärvetenskapliga modelleringsmetoder med Nätverksteori (Network Theory) för att fånga komplexa interaktioner. Global känslighetsanalys (Global Sensitivity Analysis (GSA)) metoder kombineras med skräddarsydda nätverksalgoritmer för att identifiera de interaktioner som är relevanta för en specifik in- och utdata. Dessa identifierade interaktioner kvantifieras sedan med hjälp av kurvanpassning och två riktade känslighetsmått, Average Local Sensitivity Coefficient (ALSC) och Average Combined Sensitivity Coefficient (ACSC), vilka föreslogs i denna avhandling. Slutligen används Strukturell ekvationsmodellering (Structural Equation Modelling (SEM)) för att undersöka hur indatavariationer sprids som kedjeeffekter genom mellanliggande variabler, vilket slutligen påverkar systemutdata.
Ramverkets kapacitet demonstrerades genom två fallstudier. En interaktionsanalys inom delsystemet med framdrivningsmotor och en interaktionsanalys mellan delsystem som involverade en framdrivningsmotor och en passiv kylningsmodell för en växelriktare. I fallstudien inom delsystemet identifierade ramverket framgångsrikt tre inflytelserika indata (spänning (U), nominell effekt (Prated) och frekvens (f)) för den valda utdatan av intresse (rotorresistans (Rr')), och minskade antalet faktorer att beakta i analysen med 92.51% för U, 89.42% för Prated och 93.83% för f. Resultaten från ramverket jämfördes med resultat från GSA-metoder, vilket visade en maximal avvikelse på 3%, och därmed validerades det föreslagna ramverkets förmåga att beräkna kedjeeffekterna och den totala påverkan samtidigt som in-utdata-förhållandet bevarades. Vidare gav ramverket insikter i nyanserna av kedjeeffekter och total påverkan, såsom fyndet att den nominella effekten orsakade fler designförändringar trots att den hade liknande påverkan på utdata som frekvensen.
I interaktionsanalysen mellan delsystem kunde ramverket på liknande sätt identifiera den inflytelserika indatan (Prated) för den valda utdatan av intresse (Tbase,max), och minskade antalet faktorer att beakta med 57%. Valideringssteget visade en avvikelse på 6.77%, vilket var acceptabelt med tanke på nätverkets komplexitet som involverar 3568 vägar mellan indata och utdata. Vidare, vid beräkning av det direkta ALSC-värdet med hjälp av kurvanpassning, observerades att Tbase,max hade distinkta kluster över specifika intervall av motoreffektvärden, vilket tillskrevs förekomsten av inbyggda designmarginaler och komplexa interaktioner i framdrivningsmotormodellen.
Således levererar denna avhandling ett ramverk som systematiskt kan fånga, kvantifiera och analysera komplexa och holistiska interaktioner i ett tvärvetenskapligt system för att undersöka och kvantifiera kedjeeffekterna och den totala påverkan av en förändring i en indata på en utdata. Det fungerar som en värdefull och omfattande guide för formgivare att identifiera effektiv indata för att avsevärt påverka en specifik utdata i den tidiga designfasen och att förstå konsekvenserna av att modifiera den valda indatan.
Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2025.
Kanal
978-91-8106-386-8
Serie
TRITA-SCI-FOU ; 2025:44
Nyckelord [en]
Change propagation analysis, Curve fitting, Early-Stage Design, Global Sensitivity Analysis, Interaction analysis, Knock-on effects, Multidisciplinary models, Network Theory, Structural Equation Modelling.
Nyckelord [sv]
Förändringspropagationsanalys, Global känslighetsanalys, Interaktionsanalys, Kurvanpassning, Kedjeeffekter, Nätverksteori, Strukturell ekvationsmodellering, Tidig designfas, Tvärvetenskapliga modeller.
Nationell ämneskategori
Farkost och rymdteknik
Forskningsämne
Farkostteknik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-370102ISBN: 978-91-8106-386-8 (tryckt)OAI: oai:DiVA.org:kth-370102DiVA, id: diva2:1999092
Disputation
2025-10-23, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 10:00 (Engelska)
Handledare
Forskningsfinansiär
Vinnova, 2016-05195
Anmärkning
QC 250922
2025-09-222025-09-182025-10-06Bibliografiskt granskad
Delarbeten