航天復(fù)合材料知識(shí)管理系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

/航天材料及工藝研究所

復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、性能可設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)功能一體化、易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體化和大型化等優(yōu)點(diǎn)，已成為高性能武器裝備不可或缺的基礎(chǔ)。但由于復(fù)合材料成型工藝相對(duì)復(fù)雜，存在研制周期長(zhǎng)、成本高、質(zhì)量一致性差等因素，又限制了它的廣泛應(yīng)用。因此，要改進(jìn)復(fù)合材料制造工藝，通過(guò)應(yīng)用信息化、數(shù)字化等先進(jìn)技術(shù)，提高工藝設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品制造的自動(dòng)化，以便有效縮短復(fù)合材料制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量一致性并降低制造成本。

目前，航天材料及工藝研究所復(fù)合材料構(gòu)件的研制在一定程度上仍依賴(lài)于工藝技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)及以往成功的研制方案，但這些經(jīng)驗(yàn)和成功方案并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)共享。因此，研究所決定應(yīng)用信息化手段構(gòu)建具有航天特色的復(fù)合材料知識(shí)管理系統(tǒng)，將研制過(guò)程中需要用到的經(jīng)驗(yàn)、規(guī)定、原則和實(shí)例等用知識(shí)表示出來(lái)，并通過(guò)加速“數(shù)據(jù)—信息—知識(shí)”這一提取過(guò)程為研究所的材料研發(fā)人員、工藝技術(shù)人員及技術(shù)管理人員的工作和決策提供交互與共享的工作環(huán)境，以提升工藝設(shè)計(jì)可靠性和設(shè)計(jì)效率，同時(shí)也為發(fā)展智能制造奠定基礎(chǔ)。

一、知識(shí)管理系統(tǒng)總體解決方案

1.需求分析

目前，航天復(fù)合材料研制的特點(diǎn)及存在的主要問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面：一是復(fù)合材料產(chǎn)品研制工藝方案的制定是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，受設(shè)計(jì)技術(shù)條件以及工裝、設(shè)備、人員經(jīng)驗(yàn)、操作習(xí)慣的影響，且傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)工作量大、重復(fù)勞動(dòng)多、差錯(cuò)率高。二是復(fù)合材料構(gòu)件新產(chǎn)品制造過(guò)程中大量應(yīng)用“試錯(cuò)法”，需要開(kāi)展大量的試驗(yàn)驗(yàn)證工作，費(fèi)用高且周期長(zhǎng)。三是復(fù)合材料構(gòu)件成型與材料成型一次完成，其結(jié)構(gòu)尺寸是否到位、內(nèi)部缺陷量及其分布都與工藝技術(shù)有關(guān)。四是在新產(chǎn)品研制過(guò)程中，復(fù)雜構(gòu)件試制工作量大，初次研制費(fèi)用高且周期長(zhǎng)。

針對(duì)這些問(wèn)題，根據(jù)復(fù)合材料產(chǎn)品制造工藝流程及制造特點(diǎn)構(gòu)建具有航天特色的知識(shí)管理系統(tǒng)，旨在為工藝技術(shù)人員提供一定類(lèi)似度的產(chǎn)品研制技術(shù)參數(shù)，提升新產(chǎn)品工藝方案設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。

知識(shí)管理系統(tǒng)以產(chǎn)品研制過(guò)程的需求為導(dǎo)向，基于材料研發(fā)人員和工藝人員為知識(shí)源的數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)的整合、存儲(chǔ)、共享和應(yīng)用，通過(guò)知識(shí)規(guī)則、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、文檔管理、搜索引擎、知識(shí)倉(cāng)庫(kù)和專(zhuān)家系統(tǒng)等技術(shù)工具，以便使顯性知識(shí)和隱性知識(shí)得到相互轉(zhuǎn)化。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)合材料知識(shí)管理系統(tǒng)采用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言JAVA及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)Oracle 10g進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用C/S架構(gòu)，系統(tǒng)功能組成如圖1所示。

3.系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)

復(fù)合材料知識(shí)管理系統(tǒng)由知識(shí)維護(hù)、知識(shí)使用和推理機(jī)制造三大部分組成。運(yùn)維工程師從材料基礎(chǔ)平臺(tái)、工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)獲得顯性知識(shí)，利用維護(hù)工具構(gòu)建知識(shí)庫(kù)并負(fù)責(zé)維護(hù)知識(shí)庫(kù)。

圖1 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料知識(shí)管理系統(tǒng)功能組成

當(dāng)各類(lèi)知識(shí)被充分挖掘出來(lái)并加以利用時(shí)，知識(shí)管理系統(tǒng)就需要提供面向用戶(hù)的知識(shí)管理平臺(tái)，工藝技術(shù)人員在知識(shí)管理平臺(tái)中利用系統(tǒng)界面指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)工作，用戶(hù)界面則屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部的推理機(jī)和底層數(shù)據(jù)庫(kù)。

信息輸入。該模塊主要解決與復(fù)合材料構(gòu)件相關(guān)的材料數(shù)據(jù)、工藝知識(shí)數(shù)據(jù)等的知識(shí)管理平臺(tái)輸入問(wèn)題。通過(guò)對(duì)材料數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)的集成，應(yīng)用軟件信息接口技術(shù)將相關(guān)數(shù)據(jù)（如材料力學(xué)性能、工藝參數(shù)等）傳輸?shù)街R(shí)管理系統(tǒng)，信息輸入模塊能夠接收用戶(hù)的即時(shí)輸入。

對(duì)于材料或工藝知識(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式可能不是統(tǒng)一規(guī)范，因此信息輸入模塊需要對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并采用一定的手段將它們轉(zhuǎn)化為知識(shí)管理系統(tǒng)所能識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)。

信息輸出。該模塊負(fù)責(zé)將知識(shí)管理系統(tǒng)的方案建議、參數(shù)選擇等提交給用戶(hù)。

推理機(jī)。該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)知識(shí)管理系統(tǒng)的核心推理功能。其將信息輸入模塊中獲得的相關(guān)設(shè)計(jì)的初始信息與知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)行匹配和推理，從而得到對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的方案建議、參數(shù)建議等，并傳送給信息輸出模塊。整個(gè)推理機(jī)制可以分為基于規(guī)則的推理和基于實(shí)例的推理2個(gè)部分。

二、知識(shí)管理系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

1.材料管理和材料選擇

材料管理主要是完成研究所在用及在研的復(fù)合材料數(shù)據(jù)管理，其思路是以工藝信息為紐帶，連接材料應(yīng)用的源頭和末端，如圖2所示。

通過(guò)樹(shù)形管理分門(mén)別類(lèi)地將各類(lèi)材料放置在樹(shù)形結(jié)構(gòu)上，使用人員能夠在不同層次中找到所需的材料名稱(chēng)。通過(guò)名稱(chēng)關(guān)聯(lián)到材料的基礎(chǔ)信息，包括基本參數(shù)、性能指標(biāo)等，性能指標(biāo)可以來(lái)源于手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)或測(cè)試。來(lái)源于手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)的，可以直接查到主編、出版商等，如果有原文還可以打開(kāi)進(jìn)行瀏覽；來(lái)源于測(cè)試的，可以關(guān)聯(lián)到試驗(yàn)信息管理模塊，從中找到試驗(yàn)結(jié)果的原始數(shù)據(jù)、處理方法等，同時(shí)可以獲知試驗(yàn)條件、試樣狀況、試驗(yàn)設(shè)備等具體信息。

圖2 材料管理數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系

復(fù)合材料選擇需要考慮多個(gè)因素，主要是設(shè)計(jì)人員依據(jù)型號(hào)產(chǎn)品對(duì)使用環(huán)境、載荷工況、重量、成本等的不同要求綜合權(quán)衡、擇優(yōu)選用，選材決策樹(shù)如圖3所示。

圖3 復(fù)合材料材料選擇流程

2.工藝知識(shí)管理

復(fù)合材料工藝過(guò)程復(fù)雜、工藝數(shù)據(jù)多，主要包括復(fù)合材料成型過(guò)程中的材料數(shù)據(jù)、鋪層數(shù)據(jù)、固化工藝參數(shù)、機(jī)加裝配工藝參數(shù)等，用單一的知識(shí)表達(dá)形式處理大量的工藝信息是很困難的。因此，在系統(tǒng)中采用基于特征的工藝實(shí)例來(lái)組織知識(shí)模型，復(fù)合材料構(gòu)件按照不同的特征劃分成不同的典型構(gòu)件類(lèi)型，以便加快檢索時(shí)的速度。系統(tǒng)將復(fù)合材料構(gòu)件特征一級(jí)分類(lèi)分為非回轉(zhuǎn)體類(lèi)和回轉(zhuǎn)體類(lèi)，非回轉(zhuǎn)體類(lèi)再繼續(xù)劃分為殼體類(lèi)、壁板類(lèi)（如井字形梁、工字形梁，L形等），回轉(zhuǎn)類(lèi)分為錐形和圓柱形等。

3.模具管理

模具是復(fù)合材料構(gòu)件制造的主要工藝裝備，復(fù)合材料需要在模具型面上完成鋪疊、固化，從而得到復(fù)合材料構(gòu)件的形狀、結(jié)構(gòu)關(guān)系、控制外緣和表面精度，所以模具的設(shè)計(jì)與制造直接影響復(fù)合材料構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量。模具管理模塊集成復(fù)合材料模具知識(shí)系統(tǒng)，并讀取系統(tǒng)中模具的參數(shù)信息，一般包括模具的型腔尺寸、型腔形狀、開(kāi)孔位置、監(jiān)測(cè)孔位置、排氣孔位置和數(shù)量等。

4.論文、專(zhuān)利管理

學(xué)術(shù)交流中下設(shè)學(xué)術(shù)研討會(huì)、技術(shù)論壇、項(xiàng)目匯報(bào)、互動(dòng)交流4個(gè)二級(jí)目錄。學(xué)術(shù)研討會(huì)為研究人員提供一個(gè)發(fā)起線上或線下開(kāi)展學(xué)術(shù)研討的平臺(tái)；技術(shù)論壇允許用戶(hù)在論壇中發(fā)帖，并針對(duì)某項(xiàng)技術(shù)展開(kāi)深入的討論；項(xiàng)目匯報(bào)為研究人員提供一個(gè)展示近期項(xiàng)目成果的平臺(tái)；互動(dòng)交流允許用戶(hù)在平臺(tái)上進(jìn)行溝通和交流。

在“專(zhuān)利管理”界面中，主要提供用戶(hù)上傳專(zhuān)利信息。用戶(hù)輸入專(zhuān)利名稱(chēng)、專(zhuān)利發(fā)明人以及申請(qǐng)?zhí)?授權(quán)號(hào)，或通過(guò)輸入關(guān)鍵字搜索已有專(zhuān)利。

航天材料及工藝研究所通過(guò)知識(shí)管理系統(tǒng)的應(yīng)用，為本單位工藝技術(shù)人員提供所需的工藝知識(shí)及案例，這從一定程度上提升了新材料、新產(chǎn)品研發(fā)的起點(diǎn)和質(zhì)量，并將人員從簡(jiǎn)單、瑣碎、重復(fù)的工作中釋放出來(lái)，從而提高產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)可靠性和設(shè)計(jì)效率，提升產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，降低科研生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品研制周期，進(jìn)而更好地適應(yīng)多品種、小批量快速生產(chǎn)。