飛機復合材料構件連接設計知識庫的研究與實現

劉志存，肖興輝

LIU Zhi-cun,XIAO Xing-hui

（河北聯合大學 機械工程學院，唐山 063009）

0 引言

復合材料作為航空航天的四大材料之一，具有很高的比強度和比模量，并且隨著先進復合材料性能的不斷發展和制造工藝的不斷完善，目前已經在航空航天構件中獲得了廣泛的應用，然而復合材料構件之間的連接設計與分析是復合材料構件設計中的最重要并且也是最普遍應用的內容之一[1]。資料顯示，大多數的復合材料構件連接設計都不是全新的設計，而是在原有的基礎上進行的，但是大多數的設計經驗都存在與設計人員的頭腦中，無法以一種適當的形式固化下來，從而不能做到設計知識的積累與共享。對于一個企業來說，更加成熟的產品相關數據和設計經驗是企業的智力資產，對已有的知識資產進行管理，增強知識的可重復利用性，避免設計人員的重復工作，減少產品的設計成本，已經成為了一個企業贏得未來市場的重要能力。因此，開發一種高效率的復合材料構件連接設計知識庫是很有必要的。

1 復合材料構件連接設計知識庫系統總體設計

研究復合材料構件連接設計知識庫系統的主要目的是模擬設計專家和技術人員進行設計[2]，首先需要設計人員通過實例的檢索與匹配模塊從實例庫中匹配以往成功的設計案例，如果能找到符合設計要求的案例，則只需對原有的案例進行修改之后直接使用，如果沒有匹配到符合要求的案例，則需要設計人員通過構件的連接設計功能模塊進行完整的設計。

1.1 復合材料構件連接設計知識庫系統總體框架設計

復合材料構件連接設計知識庫系統是采用的B/S結構，即瀏覽器/服務器結構，其中瀏覽器層的設計與制作在visual studio 2010中完成，是設計人員與知識庫系統進行交互的窗口，提供數據的輸入和輸出等功能，同時數據服務器層負責復合材料構件連接設計知識數據的存儲[3]。本系統的設計思路如下：用戶通過瀏覽器發送設計請求，Web服務器接收請求并將請求格式化后送至邏輯服務器(Logical Server)，邏輯服務器根據用戶請求從數據庫中提取用戶所需知識，進行推理，然后再將推理結果回傳給Web服務器，Web服務器再將格式化的推理結果回傳給瀏覽器。復合材料構件連接設計知識庫系統框架結構圖如圖1所示。

1.2 基于實例的推理與檢索功能模塊

復合材料構件連接設計實例庫中存儲的設計實例主要來源有兩種：一種是搜集國內外設計專家的成功事例；另一種是在沒有符合要求的實例的情況下，設計人員自主設計，并且設計成功的情況下，將設計成功的事例存儲到實例庫中。

在對構件進行連接設計之前，首先對構件實施實例檢索和匹配的操作，通過實例檢索與匹配功能模塊訪問實例庫中的實例，用計算相似度的方法判斷連接設計是否相似[4]，如果在實例庫中能搜索到達到設定的相似度的實例，則可以對以往的實例進行修改之后直接使用，如果沒有能達到設定的相似度的實例，則設計人員需要根據最初的設計要求進行設計。

圖1 復合材料構件連接設計知識庫系統框架結構圖

1.3 復合材料構件連接設計模塊

在該模塊中，首先根據設計要求，要求設計人員輸入設計條件(如構件的工作環境、載荷情況和是否需要重復拆卸的條件)，系統通過推理判斷會自動給出一種最能滿足設計要求的連接方式[5]。確定連接方式之后，根據不同的連接方式會進入不同的分支進行設計。

1）機械設計

機械連接是復合材料中常用的連接方式之一，機械連接設計過程中，需要完成的設計內容，包括確定鋪層板的具體參數(如復合材料的纖維類型、鋪層比例、連接板的長、寬、高等參數)、選取緊固件、選擇機械連接形式和強度校核等。

2）膠接

膠結連接設計過程中，需要完成的設計內容，包括確定鋪層板的詳細參數、選取膠粘劑、選擇膠接連接形式和強度校核等。

3）混合連接

混合連接比較復雜，需要同時兼備機械連接和膠接的設計內容。需要完成的設計內容，包括確定鋪層板的參數、選取緊固件和膠粘劑、確定連接形式和強度校核。復合材料構件連接設計模塊的設計流程如圖2所示。

圖2 復合材料構件連接設計模塊設計流程圖

2 知識表示與推理機

2.1 產生式規則知識表示

產生式規則知識表示具有一致性、自然性和模塊性等優點，知識的表達更容易讓人理解，并且技術更成熟，本系統的構件連接設計過程的中規則采用此知識表示方法。

產生式規則知識表示法的一般形式為：IF P THEN Q,規則的左邊部分（即P）表示情況，確定此規則可以應用的先決條件，右邊部分（即Q）表示動作或者由左邊部分得出的結論。

2.2 推理機

1)基于實例的推理

基于實例的推理是通過訪問實例庫中同類的以往成功實例的求解過程和求解結果，從而獲得當前問題的解決方法。根據實例的特征和實現的功能檢索相應的實例，然后計算相似度判斷實例是否相似，基于實例的復合材料構件連接設計推理流程如圖3所示。

2)基于規則的推理

規則庫采用基于規則的正向推理過程，其基本思想是：從問題已有的事實出發，根據輸入數據，匹配規則的左邊部分（即條件部分），當規則的左邊部分（即條件部分）與已有的事實相匹配時，就把該規則作為可用規則放到規則行列中，然后通過沖突消解，在候選行列中選擇一條規則進行推理，并將其結論放到數據庫中，作為下一步推理的證據。

圖3 基于實例復合材料構件連接設計推理 流程圖

3 知識庫的構建與維護

3.1 知識庫的構建

知識庫的構建過程實際上就是將設計用到的經驗、數據、原則、規定以及以往設計成功的案例存儲的過程。通過不同的推理機可以加載不同的知識庫，從而實現輔助設計人員完成各個環節的設計工作。

在知識庫的構件過程中，知識的獲取是最困難同時也是最重要的部分，因為知識庫的實用性直接取決的知識庫中數據的數量以及質量，所以知識獲取的過程直接影響知識庫的實用性。獲取知識的方法可以分為直接獲取和間接獲取兩類。本系統采用間接獲取的方法，即通過查詢有關教科書、手冊、國內外文獻以及由企業直接提供的數據等方法獲取數據[6]。這些數據存儲在知識庫中，方便設計人員的使用。

3.2 知識庫的維護

知識庫的維護主要包括知識庫權限設置、知識庫操作功能設計和知識檢查功能設計。

1)知識庫權限設置

由于知識庫中存儲的知識是指導復合材料構件連接設計的相對固定的標準，是由眾多設計專家經過多年的積累而形成的，所以知識庫的維護需要進行合理的權限配置。本系統對知識庫設置了兩個權限：系統管理員和普通用戶。系統管理員屬于高級用戶，可以對知識庫中的知識進行添加、修改和刪除等操作，而普通用戶則只能訪問和使用知識庫，對于知識庫中的知識訪問權限為“只讀”，無法對知識庫中的知識進行更新和修改等。

2)知識庫操作功能設計

知識庫操作功能設計包括知識的添加、刪除、修改和更新等操作，利用知識庫的操作窗口，通過人機對話的方式實現知識的增加、刪除、修改和更新等。

3)知識檢查功能設計

知識檢查功能主要是檢查知識的完整性、一致性和冗余性等。

4 系統的實現

本系統采用B/S結構，即瀏覽器/服務器結構。系統采用ASP.net技術實現對知識庫的訪問。ASP.net與數據庫的連接通過ADO.NET實現。知識庫軟件采用visual studio 2010開發，開發語言為C#，使用SQL語言實現對數據庫的操作，數據庫的管理系統為Oracle10i。

5 結束語

復合材料構件連接設計知識庫能通過檢索和匹配實例庫中的實例，從而縮短設計過程和成本，也能實現自主的設計，設計完成后，將設計成功的實例存儲到實例庫中，這也是實例來源的一種重要途徑。本系統很好的解決了復合材料構件連接設計過程中知識和經驗的固化和共享的問題，能很好的實現指導設計人員的目的，具有很好的使用價值。

[1] 中國航空研究院.復合材料構件設計手冊[M].北京:航空工業出版社,2004.

[2] Qingfen LI,Zhaoxia CUI,Weimin WANG.An Expert System in FRP Composite Material Design[J].J.Mater.Sci.Technol,2001,17(5):556-560.

[3] 劉亞琳,范玉青,張麗華.復合材料構件設計知識庫研究與實現[J].航空維修與工程,2006(2):39-43.

[4] 梅中義,周俊,范玉青.基于CATIA的復合材料構件設計知識庫系統[J].航空制造技術,2008(3):56-59.

[5] 富威,王鵬,李慶芬.基于Web的復合材料設計專家系統[J].哈爾冰工程大學學報,2004(12):773-776.

[6] 張虹,周來水.飛機復合材料構件工裝設計知識庫研究與實現[J].中國制造業信息化,2007(8):16-20.