基于知識的飛機結構件智能設計*

代 浩，郝 博

(東北大學機械工程與自動化學院，沈陽 110819)

0 引言

飛機結構部件是飛機機身和氣動結構的重要組成部分，包含框、梁、肋、腹板等，普遍具有制造精確、多品種和小批量等特點。智能設計技術可以有效提高飛機設計效率和設計質量，因此對飛機結構件設計的問題展開深入的研究至關重要。

國內外學者從不同角度對飛機結構件設計問題進行了分析和研究。Zhou Yunbo等[1]利用基于特征的夾具設計方法，將設計知識與飛機結構零件的幾何信息集成在一起；Raghu Chaitanya Munjulury等[2]基于知識的飛機自動化設計方法，并開發了一個多方面的用戶界面來協助整個設計過程；周小波等[3]研究了全三維設計環境下知識驅動的零部件智能建模技術，該方法極大地提高了工程師的設計效率和設計質量，促進了全三維設計技術在型號研制中的運用；魏濤等[4]將知識與遺傳算法相結合，對航空薄壁多腔件的加工方法進行硏究；張青等[5]建立基于特征知識的飛機翼類典型結構件庫,實現了結枸件設計知識的重用；陳軍等[6]將知識工程應用于汽車覆蓋件沖壓工藝設計；毛雨輝等[7]對雷達典型結構件進行了知識表示，開發了基于UG的結構件庫系統；劉明等[8]對機翼翼梁三維模型的建模技術進行了硏究，實現了快速建模；高鑫等[9]提岀了飛機復雜結構件智能制造生產線架構的方法，對于提升結構件加工水平具有重要參考；張春元等[10]硏究了基于模板的飛機結構件快速建模方法。

目前，在飛機結構件建模過程中出現了許多問題，如重復性工作多，設計知識不能很好保存，設計效率低等。針對這些問題，本文提出飛機結構件智能設計方法，以Visual studio2012為平臺對CATIA軟件進行二次開發，通過對飛機結構件的知識表示、基于規則的智能設計、參數化設計和變型設計的方法，進而實現了設計知識的繼承和重用。

1 知識工程的理論與方法

知識工程(Knowledge Based Engineering,KBE)是領域專家知識和人工智能技術的集成，將相關領域的專家經驗進行歸納總結[11]，構造知識庫系統，通過對知識庫的管理來實現對設計知識的重復利用，從而使工程設計人員具備專家能力，進一步提升了工作人員的設計效率。

1.1 知識的獲取方法

知識獲取指的是如何從知識源中提取出解決問題所用到的知識，然后通過知識表示將這些知識轉換為計算機可以識別的語言。這種方法的實質是從許多的結構件中選取合適的模型，實現了知識的重用。知識獲取的方式主要有：①以查閱的方式直接獲?。虎趶膶＜姨帿@取；③運用數據挖掘的方式獲得知識。本論文主要是混合使用以上方法獲取知識。

1.2 知識的表示方法

知識表示是組織現有數據和知識并將其放入計算機的方法。隨著智能設計在飛機結構零件中的廣泛應用，已經提出了大量的知識表示方法。知識表示的主要方法是生產表示、框架表示、面向對象的知識表示和語義網絡表示[12]?？紤]到飛機結構件設計知識的繼承性和相關性等特點，本文采用面向對象的知識表示方法。

面向對象的知識表示方法是在智能設計系統中應用面向對象思想，這種表示方法的本質是零件模型經過一系列操作轉變成產品模型的一種形式，然后將特征參數等知識數據載入到智能設計系統中，從而實現設計知識的繼承與重用。本論文用Z字型翼梁為例，其知識表示流程為：

(1)根據結構件設計方案將需要的內容存儲到設計表中，表中包括的知識數據如圖1所示。

圖1 Z字型翼梁的特征參數

(2)按照設計方案，把表格中的知識數據載入到設計系統。

1.3 知識推理的方法

知識推理是計算機對已獲取的知識按照某種策略對問題求解作出科學的思維過程，從而解決問題。目前主要的推理方式有：基于規則的推理、基于模型的推理和基于實例的推理。

2 飛機結構件的智能設計技術

智能設計技術提高了飛機結構件設計效率和質量，同時減少設計人員的勞動時間，其開發方法以人工智能技術為基礎，將結構件設計過程所需的知識和經驗轉換為計算機能夠識別的語言，從而支持整個設計過程的進行[13]。智能設計系統存儲專家知識，運用專家知識，模擬專家設計方式，進行產品設計，設計結果達到專家水平，從而提升了設計效率和設計能力，實現了設計知識的繼承與重用。智能設計系統輔助飛機設計人員工作，會使結構件設計變得容易和快速。

2.1 基于規則的智能設計

基于規則的智能參數設計方式：依據結構件設計要求，基于規則推理，選取結構件的結構型式，優化確定結構件參數。規則是利用對參數值的判定邏輯以確定規則，規則制定后，參數就務必遵守[14]。在模型建立之前，制定一系列規則，這樣可以提高模型設計的準確性。在結構件設計過程中，設計規則庫是一個重要部分，這些規則能為參數的選取提供依據。規則庫可以檢驗模型的每個參數，其具體原理如圖2所示。

圖2 基于規則的具體原理

2.2 基于知識的參數化設計

基于知識的參數化設計就是通過對飛機結構件的尺寸參數,特征實例和檢驗規則等元素的控制來驅動結構件全關聯參數的更改，以達到模型的自自動更新、自動設計[15]、自動優化，使設計人員遵循最佳設計方法和途徑，從而達到智能設計的效果和目的。在結構件設計過程中，設計者需要考慮許多事項，在這些設計限制下做出適合的方案選擇和參數選取，這是根據經驗、計算報告等依據遵循一定的規則而選取的，從而實現結構件的快速建模。其工作流程如圖3所示。

圖3 基于知識的參數化設計工作流程

2.3 基于實例推理的智能變型設計

飛機設計中包括大量知識經驗，不同種類飛機結構件相似，新型號結構件的設計是在原來型號的基礎上實現的，因此，以前結構件的設計實例對新型號的設計至關重要。歸納整理原來結構件的設計知識是一個復雜的過程，同時建立參數化實例庫，實現對大量模型的統一管理和新型號結構件的重用和檢索?；趯嵗评淼闹悄茏冃驮O計是構建面向全三維結構件的知識表達模型，通過實例推理、智能選擇和匹配適合來完成，因此，模型庫中的模型不斷向設計模型靠擾，完成模型的變型設計，其過程如圖4所示。

圖4 基于實例推理的智能變型設計流程

3 具體運用

本文建立了飛機結構件模型庫，并開發了基于CATIA環境的智能設計系統。以Z字型翼梁為例，整個系統的使用過程如圖5所示。

圖5 智能設計系統的使用過程

對于Z字型翼梁傳統建模方法而言，工程設計人員從繪制二維草圖，創建參數和形位約束到完成三維模型，一般需要6～10 min，而本文基于CATIA環境的智能設計系統建模大約需要2～3 min，通過對比，來說明智能設計系統在提高設計效率方面具有明顯的優勢。

4 結論

針對飛機結構件設計的特點，本文提出了基于知識的飛機結構件快速設計方法。通過對飛機結構件的知識表示，基于規則的智能設計，參數化設計和變型設計的封裝，建立了飛機結構件智能設計系統，可有效解決目前飛機結構件設計問題。這種方法實現了設計知識的繼承與重用，減少了設計人員的勞動時間，提高了產品的設計質量和效率，加快了飛機結構件的研發速度，同時促進了智能設計技術的使用，對航空制造業的發展奠定了基礎。