飛機設計選材專家系統的開發

藍元沛 焦起祥 關志東

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

許廣興

(中航工業沈陽飛機設計研究所結構部材料應用室,沈陽 110035)

飛機設計選材專家系統的開發

藍元沛 焦起祥 關志東

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

許廣興

(中航工業沈陽飛機設計研究所結構部材料應用室,沈陽 110035)

在對飛機設計選材工作進行分析的基礎上,提出基于瀏覽器/服務器(B/S,Browser/Service)結構的飛機設計選材專家系統總體框架和系統各功能的實現方式,并開發了系統的原型.該系統將基于規則、案例和模型的選材方法結合在一起,通過一個通用的推理機實現推理.該推理機功能通過 CLIPS(C Language Integrated Production System)專家系統開發工具實現.該系統主要有 3個工作步驟:選材的定性推理,材料檢索和材料綜合性能排序.用戶可以方便地使用瀏覽器對系統進行訪問和操作.該系統飛機機翼大梁選材實例驗證了該系統的有效性,可對飛機設計人員的選材工作起指導作用.

飛機結構;飛機結構材料;專家系統

工程結構的性能最終要體現在結構所選用材料的性能上.近十幾年來,機械設計的材料/工藝選擇計算機輔助方法逐漸成為研究熱點.隨著研究的深入,根據這些方法開發的材料/工藝選擇工具也由原先的演示性工具逐漸演變為滿足設計人員需求的材料/工藝選擇系統[1].這些選材方法主要包括:①基于專家系統理論的選材方法,有基于案例推理[2]、基于知識(規則)的選材系統[3]以及基于神經網絡和遺傳算法的選材方法[4].這類選材方法建立在專家經驗和以往成功選材案例的基礎上,是定性的選材方法,往往有多個選材結果[5];②基于多準則決策(MCDM,Multiple Criteria Decision Making)理論的選材方法,主要有簡單加權法[6-9]、TOPSIS法[10-12]、ELECTRE法[12-14]、VIKOR方法[14]、圖論法[15]、基于層次分析法的綜合選材方法[16-17]以及 Ashby法[18-20]等 .其中,文獻[12,14]采用了兩種或以上的 MCDM方法,通過對比不同方法得到的材料綜合性能排序,確定最終選擇材料.這類方法通過建立備選材料集,確定材料性能的評價屬性和對應權重,對材料的綜合性能進行排序得到最優的、唯一的材料,屬于定量的選材方法.由于目前可選材料數量眾多,且選材時考慮的因素較復雜,為了提高選材的效率和準確性,這類方法的應用還往往需要參考專家經驗和選材案例等信息.文獻[5]對近 20年來的選材方法進行了比較全面地概述.

材料工作是飛機研制和生產工作的基礎,飛機結構所用材料的性能,在很大程度上影響所設計的結構能否滿足飛機的戰術-技術(使用-技術)要求.飛機結構設計中的選材工作,是多次綜合、權衡、折衷的過程.在進行飛機結構設計選材時,設計人員需要考慮材料的各種性能,而這些性能往往是矛盾的[21].國內飛機設計人員往往是憑積累的經驗進行選材,還沒有嚴格統一的方法可供使用,缺乏理論依據和可操作性,工作效率也不高.此外,設計人員的經驗通常都是存在于人的頭腦中,沒有以固化的形式保存,不能做到企業級設計知識的積累與共享[22].

本文首先對飛機設計選材工作進行系統分析;在此基礎上,提出適應于當前我國國內飛機數字化設計環境下選材專家系統的框架結構和實現方式,并建立了飛機設計選材專家系統的原型.由于金屬材料結構的設計與復合材料的結構設計有許多本質的區別[21],本文只討論飛機金屬結構設計的選材問題.

1 飛機設計選材工作分析

1.1 選材工作概述

新飛機的研制可分成 5個階段:論證階段、方案階段、工程研制階段、設計定型階段、生產定型階段.對于飛機結構設計來說,在方案階段,飛機設計人員在完成全機主承力結構布置后,要根據結構選材要點,完成飛機主承力結構選材;在工程研制階段,飛機設計人員根據方案階段確定的飛機總體技術方案進行飛機各部件結構的初步設計和詳細設計,完成所有結構件的選材參考[23].總的來說,飛機設計的選材工作屬于飛機結構設計的范疇.

飛機設計的過程是將新研制飛機的戰術-技術(使用-技術)需求轉化為該飛機如何制造的具體信息的過程.飛機結構件功能的實現最終體現在它們所用材料的性能上.在對飛機結構進行選材時,不僅需要確定材料種類、品種和牌號,而且需確定所選材料的加工和熱處理工藝,即對材料和工藝進行選擇.本文所提的材料選擇(選材),均指對材料和工藝的選擇.

選材工作作為結構優化設計當中的一個方面,需要盡可能地滿足設計需求,極大地發揮材料的性能,還要使得成本最小化[21].

1.2 選材的流程

選材的過程是一個材料搜索空間不斷縮小、逐步逼近最終結果的過程.

在飛機研制的方案階段,綜合考慮飛機的布局形式、總體設計參數和各主要系統方案,可以確定機體結構特別是主要受力構件復合材料以及其他先進材料的應用水平,從而確定主承力構件的大致種類(金屬材料或復合材料)[23].

在飛機研制的詳細階段,選材的步驟可大致分為以下 3步:

1)將結構設計要求轉化為對材料性能的具體屬性要求[1].根據結構件的生產條件,以及使用環境、幾何形狀、載荷水平等設計條件,確定可選的材料種類(鋁、鈦、鋼等)、品種 (鍛材、板材、型材等)、規格、靜強度等[24].如果該結構件是斷裂關鍵件,還要求所選用材料具有高的抗疲勞、抗裂紋擴展能力.這個過程需要設計人員按照飛機結構設計中常用的設計規范和方法,根據結構件所受外載荷確定所選用材料的力學性能要求.

為了得到好的結構設計,設計人員需要對飛機結構設計有充分的認識,具有較高的設計水平和豐富的設計經驗(包括選材經驗),這就需要設計人員學習和掌握飛機結構設計及選材知識,繼承以往飛機結構選材的經驗積累,借鑒國內外同類機型的成功選材案例.

2)依據第 1)步所掌握的材料性能要求,在選材目錄(材料性能數據庫或材料手冊)中進行檢索,得到滿足設計要求的若干種備選材料.

3)滿足設計要求的材料往往不止一種,因而需要對這些材料進行綜合性能的優劣排序,得到唯一的、最優的材料.

具體來講,需要以結構輕質為目標,綜合考慮材料各種性能要求及經濟性的要求,對備選材料進行性能的綜合評判.需要注意的是,不同環境條件下的結構件以及采用不同要求設計的零件,對材料的各項性能要求的側重程度也不同,得視具體情況分析.

1.3 選材時應考慮的因素

文獻[1]對影響選材的因素進行了系統地分析,指出結構件所采用的材料、工藝與結構件的功能(在特定環境下承受特定的載荷)和幾何尺寸是相互影響的.結構件的功能決定了結構件的材料和形狀,而材料的可成形性、機加性能和可焊性等影響著結構件的加工工藝.此外,加工工藝與結構件的形狀之間會相互影響——加工工藝決定性能、尺寸、精度以及成本,主要表現為:構件的形狀規格限定材料及工藝的選擇.同樣,加工工藝也會限制所用的材料及結構件的幾何形狀和尺寸.

以下是具體分析[21]:

1)結構的受載情況對材料性能的要求.飛機結構必須保證在所受外載下有足夠的強度、剛度、壽命和高可靠性,因此首先必須確定結構的受載情況.根據結構受載對結構提出受力特性的要求,進而對選用材料提出具體的性能指標要求.

2)結構的使用條件對選材的影響.結構的使用條件包括環境條件、飛機著陸條件、維修條件和使用條件等.不同的環境條件會對結構件所選用的材料提出不同的抗腐蝕性能要求.著陸場所、條件的不同會使結構受載和對起落裝置的要求不同.而不同類型的飛機、同一類型但性能不同的飛機,其使用條件和維修條件均會有所不同,從而對材料的損傷容限及耐久性設計要求也不同.

3)工廠生產條件對選材的影響.結構件生產條件主要指飛機的產量和工程的加工與裝配能力.產量不同在選擇結構的設計和工藝方案時會有所不同.例如只生產幾件結構件時,一般不宜采用模鍛件和精密鑄造件;當大量生產時,就可考慮采用模鍛、精密鑄造等適合大量生產的工藝方案.

加工能力是指飛機制造工廠所具有的設備、工藝員和工人的技術水平與加工經驗,以及采用新材料新工藝的可能性.飛機結構的設計人員應對生產廠的情況很熟悉,這樣才能設計出具有良好工藝性的結構.

4)飛機結構件幾何形狀對選材的影響.飛機結構的形狀通常并不刻意任意選定.在總體設計階段,一般已確定了各部件的外形、相對位置以及相互間連接交點的位置.因此,設計人員在進行選材時,根據經驗判斷或參照以往設計實例,可以獲得結構件的幾何形狀信息.

5)相鄰結構件對選材的影響.如:鈦合金電位與鋁合金以及鋼電位差別較大,選材時要考慮防電位腐蝕問題[23].

1.4 小 結

從以上分析可以得出,飛機設計人員在確定若干種備選材料后,從這幾種備選材料中選出一種最優材料,這個過程可以看作是一個結構化決策的過程,屬于典型的 MCDM問題,飛機設計人員可以利用 MCDM理論的方法對選材過程進行建模,根據結構設計的要求和特點,結合以往選材的經驗,選出最合適的材料.

對于飛機結構設計人員,特別是對一個經驗尚缺的設計人員來說,選定若干種材料作為備選材料并不是一件容易的事情,因為一般的“航空材料選用目錄”會包含近 2 000個牌號材料的基本選用信息[25].要將這 2000種不同牌號、品種、規格的材料作為備選材料費時又費力.可以通過參考專家的設計經驗、以往成功的案例,將不滿足設計要求的材料排除掉,使得備選材料的數目減小到易于決策(選擇)的程度.這一步屬于非程序化的決策,可以通過專家系統技術實現.

2 系統總體設計

并行工程和數字化設計/制造是航空工業技術的發展趨勢.飛機設計選材專家系統需要與飛機數字化設計和制造平臺密切協同,實現選材工作和設計/制造的并行與協調,滿足異地設計與異構設計系統無縫聯結的要求.

在本文第 1節選材工作分析的基礎上,針對我國國內主要飛機設計院所軟硬件環境特點,提出基于瀏覽器/服務器(B/S,Browser/Service)結構的飛機設計選材專家系統的框架結構,如圖 1所示.

圖1 飛機設計選材專家系統框架結構

基于 B/S的應用系統,數據及應用可通過不同平臺、不同網絡存取,具有易用性好、易于維護、信息共享度高、擴展性好等優點[26].設計人員和材料管理人員只需要通過局域網客戶端的 IE瀏覽器便可以方便地使用本系統.

3 系統的構造與實現

3.1 知識的獲取

目前并不存在系統的飛機設計選材知識.本系統知識的獲取,除了采取與專家交談外,還通過查閱材料學和飛機結構設計相關書籍和文獻資料等途徑.

搜集國內外已有機種選材案例也是一個重要的手段.系統開發人員從飛機設計院所的結構設計及強度計算報告中摘取與選材有關的信息,加入選材案例庫,并通過案例分析與會談相結合的方式歸納飛機設計選材知識.

3.2 知識的表示

針對飛機選材知識以及知識來源的特點,本系統采用基于規則和基于案例的知識表達方式,綜合二者的優點[27]:①提供一種自然的解決方法:先檢查已知選材案例,再進行基于規則的推理;②知識庫的選材知識和案例庫的選材案例可以相互檢驗,以保證知識庫、案例庫內容以及選材結果的質量;③基于規則得到的推理結果記錄可作為選材案例庫案例,通過保存合適的選材案例,推理程序可以避免重復代價很高的搜索.

基于規則的知識表達方式[28]模擬人類大腦記憶模式中知識之間大量存在的因果關系,以“IF…THEN…”的產生式規則的形式表達知識,即 P→Q.其中,P表示條件,Q表示結論.其含義是:“如果條件 P被滿足,則可推出結論 Q”.

基于案例的知識表達方式難點是如何確定用來索引和檢索案例的突出特征[27].由于飛機設計選材涉及結構設計與強度計算兩個方面的工作,且結構件所用材料與其在特定環境下承受特定的載荷和幾何尺寸有密切關系.因此,本系統選材案例庫的開發,用下列關鍵詞描述選材案例:①結構件基本特征信息:結構件名稱,所屬型號、選用材料;②結構設計的考慮因素:基本承載情況分析,幾何特征描述,設計圖及其分析,強度計算結果,材料許用應力,危險剖面位置;③強度分析信息:載荷描述,受力圖及其分析,強度計算結果,材料許用應力,危險剖面位置.

3.3 推理機和解釋機制

作為本系統的核心,推理機的功能是協調知識庫、模型庫和案例庫的關系.具體為:①通過設計人員給定的設計條件,推理機加載知識庫,通過從設計人員得到的事實,匹配相關的規則,將中間結果寫入“黑板”;②需要建立分析模型時,推理機調用相關的計算模型庫模型進行初步分析,并將分析結果返回“黑板”;③需要協調案例知識時,可以調用相關的案例知識,存于“黑板”中,供推理機使用.

為了能夠提高選材結果的可信程度,本系統通過顯示系統問題求解過程的推理路徑和知識庫中知識的運用狀況對推理過程進行解釋,解釋推理機是怎樣求解問題并得出結論的.推理路徑以表格和圖形兩種方式顯示,便于用戶理解.

本系統的推理機和解釋機制功能通過 CLIPS(C Language Integrated Production System)專家系統開發工具實現.CLIPS是美國航空航天局于1985年推出的一種專家系統開發工具,具有產生式系統的使用特征和 C語言的基本語言成分[28].

為了使推理機適應 B/S軟件架構要求,本系統開發了一個通用輸入/輸出(I/O,Input/Output)接口,以方便推理機與知識庫、案例庫及計算模型庫之間的交互.該 I/O接口功能采用 JavaScript技術易于實現,其實現方式參見文獻[29-31].

3.4 知識庫和案例庫

知識庫的組織按飛機部位及結構件的不同進行分塊,在問題的求解過程中從相應的子知識庫中選擇可用知識,便于基于規則和基于案例的推理的實現,并可避免知識的冗余和可能出現的知識之間的相互沖突,保證選材知識的質量.不同類型的選材知識以單一 CLIPS軟件文件的形式存儲在系統服務器中.

本文 3.2節涉及描述選材案例的關鍵詞信息形式,具體包括文字、數字、圖片、表格、曲線以及3D模型和強度分析的數據文件,數據庫技術很容易實現對這些信息的存儲.本系統采用數據庫技術對案例庫進行開發.數據庫管理系統(如 SQL Server、ORACLE等)容易滿足對大量案例進行管理的要求.數據庫技術對數據共享性好的優點可以實現多種編程語言對數據的調用.

3.5 計算模型庫

選材的過程不僅包括定性推理,還包括數值計算.前者由推理機實現,而后者則由計算模型庫的模型實現.

目前,本系統計算模型庫包含的計算模型主要有:具有典型特征的戰斗機機身框和壁板、機翼梁(墻)和蒙皮的材料性能校核與材料屈服強度門檻值計算,受壓結構選用材料的性能指標計算,受交變載荷結構件選用材料的性能要求計算,以及有損傷容限要求關鍵零件選用材料的性能指標計算等.

上述計算模型主要摘自“××飛機強度計算報告”,可供設計人員選材及結構件強度初步校核時使用.

計算模型庫還包括一個用以實現定量選材的材料綜合性能評判模型.該模型的實現采用的是MCDM理論中最為廣泛使用的簡單加權法.基于MCDM理論的飛機設計選材方法見文獻[32].

計算模型庫各個模型主要采用基于 Web和ASP.NET的封裝方式,計算模型均以*.DLL文件的方式實現,便于模型的擴展和維護.

3.6 客戶端、庫管理及通用輸入/輸出接口

用戶(設計人員)通過 IE瀏覽器可以方便地實現選材的相關功能;管理員(知識工程師)通過IE瀏覽器對知識庫、案例庫、計算模型庫進行維護,并可對材料數據庫相關數據進行瀏覽.

材料數據庫的介紹見文獻[33].

4 系統功能介紹

用戶打開 IE瀏覽器,在地址欄輸入地址即可進入本系統進行選材.本系統的主要功能有:

1)選材的定性推理.用戶通過推理機加載知識庫和案例庫進行選材的定性推理.通過與推理機的交互輸入擬設計結構件的受載情況、幾何形狀、使用環境和生產加工等初始條件,確定可選的材料種類、品種和規格,材料性能綜合評價指標以及確定這些指標對應權重大小的原則等.必要時,推理機還調用計算模型,以便根據輸入的結構件工作環境和受載情況確定所選材料的性能指標.

2)從材料數據庫檢索滿足定性推理條件和初始設計要求的材料,確定備選材料.用戶可以根據推理機的定性推理結果對材料數據庫進行檢索,得到滿足前提條件的材料(或材料集).檢索的內容包括:“材料相關信息檢索”,輸入擬選材料的類別和品種;“材料光滑拉伸力學性能檢索”,輸入結構件使用環境下的設計應力;若考慮材料的疲勞性能,還需輸入滿足結構件使用環境、典型疲勞載荷的應力比及應力集中系數下最大疲勞應力和疲勞載荷循環次數門檻值等檢索信息.滿足上述條件的檢索結果的交集為同時滿足材料類別、品種和靜力、疲勞性能要求的備選材料.

3)對備選材料綜合性能綜合評判,得到綜合性能最優的、唯一的材料.若備選材料不止一種,則需調用計算模型庫中的材料綜合性能評判模型對備選材料的綜合性能進行排序,得出性能最優的材料.其中,材料綜合性能評判指標由推理機推理得出,這些指標對應的權重根據推理機得出的確定權重原則由用戶根據實際設計要求確定.

5 應用實例

下面以某型號戰斗機機翼大梁選材實例說明系統的有效性.

參照選材案例庫以往選材案例,初步確定該大梁的設計條件及典型工況為:翼梁結構形式:整體梁式;使用載荷下結構的工作應力:250MPa;結構安全系數:1.5;最大疲勞應力 σmax=150MPa;疲勞壽命周期門檻值:1.00×106周;應力比 R=0.5;應力集中系數 Kt=1.0.

用戶加載選材知識庫文件,運行推理機,推理機開始提問,用戶回答推理機所提問題.以下是與推理機的交互信息:

結構件所在部位是否是機翼(Yes/No)?

你的輸入數據:Yes

結構件是否是機翼主梁(Yes/No)?

你的輸入數據:Yes

結構件是否受疲勞載荷(Yes/No)?

你的輸入數據:Yes

選擇結構件所受靜載荷類型:1.受拉/壓載荷;2.受彎(輸入 1或 2).

你的輸入數據:2

該結構件是否是梁(Yes/No)?

你的輸入數據:Yes

飛機飛行環境是否為潮濕空氣環境/海洋大氣環境/工業大氣環境(Yes/No)?

你的輸入數據:Yes

結構件是否考慮材料的經濟性(Yes/No)?

你的輸入數據:Yes

推理結果輸出:

結構件所在部位:機翼

結構件名稱:機翼主梁

##確定材料種類及品種 ##

材料種類:鋼 /鋁 /鈦

材料品種:厚板 /鍛件

#需要考慮不同試驗環境下材料力學性能 #

試驗環境:腐蝕環境

是否考慮材料的光滑拉伸性能:是

是否考慮材料的疲勞性能:是

#材料綜合性能評價需要考慮的指標 #

靜強度指標:[σ b^(2/3)/ρ]

剛度指標:[E^(1/2)/ρ]

疲勞性能指標:疲勞載荷循環次數 N 疲勞

抗腐蝕性能指標:[σ 0.2](成本型屬性)

經濟性指標:材料成本(成本型屬性)

用戶輸入以下檢索條件對材料數據庫進行檢索:材料類別:鋼 /鋁合金 /鈦合金;材料品種:鍛件 /厚板;靜力工作環境/溫度:空氣 /室溫;使用載荷下結構的工作應力:250MPa;結構安全系數:1.5;疲勞載荷工作環境 /溫度:鹽霧 /室溫;最大疲勞應力 σmax=150MPa;疲勞壽命周期門檻值:1.00×106周;應力比 R=0.5;應力集中系數 Kt=1.0

得到的檢索結果有:2D70鍛件、7B04-T6厚板、7B04-T74鍛件等 3種備選材料.

推理機調用材料綜合性能評判模型對上述 3種材料進行性能的綜合評判,其中評判的指標為:σb

2/3/ρ、E1/2/ρ、N疲勞、σ0.2和材料成本指標,取這些指標的權重大小一致.

最終選材結果為:7B04-T74鍛件,該結果與實際選材結果相符.

6 結束語

1)在飛機數字化設計/制造技術不斷發展的趨勢下,以往翻手冊、查文獻的飛機設計選材工作方式就顯得相對落后,這就需要轉變選材的工作方式,以實現飛機研制中選材工作的數字化協同,確保選材質量,提高設計效率.

2)結合基于專家系統理論的選材方法和基于 MCDM理論的選材方法,以及基于規則和基于案例的選材知識表示方法,提出飛機設計選材專家系統框架結構,并建立基于 B/S結構的飛機設計選材專家系統原型.

3)專家系統原型的建立僅僅是系統應用的開始,用戶還需要對選材知識庫進行相當長時間的運行檢驗,不斷對知識庫進行改進.雖然本系統原型已應用于飛機設計部門,但系統的建立僅僅是系統應用的開始,用戶還需要對選材知識庫和案例庫進行不斷完善,才能使本系統在飛機設計選材中發揮更大的作用.

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(編 輯 :李 晶)

Development of aircraft-design m aterial-selection expert system

Lan Yuanpei Jiao Qixiang Guan Zhidong

(Schoolof Aeronautic Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Xu Guangxing

(Material Application Office,Structure Department,AVICShenyang Aircraft Design Institute,Shenyang 110035,China)

Following a discussion on aircraft-design material-selection,a browser/service architecture framework ofmaterials selection expert system,together with its implementation and prototype,was put forward.The system integrated rule-based reasoning,case-based reasoning and model-based method,and it could reason with a general inference engine.The inference engine's function was implemented by a popular expert system development tool—C language integrated production system(CLIPS).When this system functioned,it worked in these three steps:reasoning for qualitative selection results,searching materials from material database and ranking the materials to obtain a selection result.User could access the system with browsers conveniently.Its effectiveness was demonstrated by a case of wing-spar materials-selection.

airframes;aircraft materials;expert system

V 25

A

1001-5965(2010)11-1358-07

2010-01-18

國防基礎科研項目(A 0520060798)

藍元沛(1982-),男(壯族),廣西博白人,博士生,lanyuanpei@ase.buaa.edu.cn.