基于知識工程的外涵機匣設計系統構建

張 瑜，邱明星，賈 鐸，張讓威，劉 宇

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

外涵機匣作為航空渦輪風扇發動機主要單元體之一，其設計涉及到氣動、結構、強度、材料和工藝等多方面，研制周期較長，設計成本較高。如何高效地將設計流程、設計規范和知識經驗等設計要素整合，將知識點和經驗融入到具體設計中，實現縮短外涵機匣研制周期和減少設計成本的目的，這就需要引入1種工程設計理念——知識工程（Knowledge Based Engineering，KBE）。KBE的概念最早由美國在1977年提出[1]，1998年被引入CAD應用中[2-3]，其基本思想是在工程設計中重用已有的設計知識和經驗，是隨著CAD技術和人工智能技術的發展和結合而產生的。截至目前，KBE技術在中國航空發動機領域的應用研究還很少，對于外涵機匣設計研究更是空白[4-5]。

本文應用KBE思想，搭建一體化外涵機匣設計系統，具有很好的研究及應用價值。

1 外涵機匣設計系統需求分析

1.1 外涵機匣設計現狀

傳統的外涵機匣設計是以設計流程、設計規范和知識經驗等為指導進行的，但這些知識資源分散在設計規范、指導書和工作總結等文件、圖紙中，知識檢索與利用效率低、全面性差，不僅涉及設計的標準符合性和完整性，而且影響設計質量及效率。

外涵機匣建模方法無統一規范，建模過程沒有達到合理性最大化，相同結構形式零件重復建模，模型重用性不高，設計效率低。同樣，對于外涵機匣零件3維標注，也存在標注形式不統一以及結構形式相同零件需逐一標注等問題，從而影響設計效率和質量。

傳統的外涵機匣設計僅對需簽署歸檔的結果數據在PDM系統集中管理，而對于設計過程中不斷調整參數、結構建模等產生的過程數據無集中管理，易導致數據被覆蓋或者丟失，如果最終產品發現設計缺陷或不良，很難追溯和提取相關信息。另外，計算分析需人工對輸入/輸出數據進行轉換、傳遞和管理，易出現因人為因素導致的錯誤，從而影響設計效率。

1.2 需求分析

通過對外涵機匣設計現狀的分析，為完善外涵機匣的設計過程，提高設計質量和效率，需進行外涵機匣設計系統的研究與開發。系統應滿足的功能需求總結如下：

（1）設計過程流程驅動。設計流程應顯性化，設計者在流程的驅動下完成外涵機匣設計全過程，設計過程被動遵循流程邏輯關系[6-9]。

（2）設計活動與知識融合。在進行設計活動時，應在相應功能模塊中體現相關知識信息，如工作輸入/輸出內容、設計指導書、標準、規范、經驗、模板、軟件工具、檢查單等，來指導設計者完成當前設計活動。

（3）標準化及快速化3維建模。設計系統應建立3維數模設計支持數據庫，方便設計者快速開展外涵機匣材料工藝方案選取和結構形式選取；快速支持零組件3維建模、技術條件編制、3維標注和數模檢查，且使生成的模型及標注滿足標準化要求。

（4）設計過程記錄。設計系統應能夠記錄設計者開展各項設計活動的全部設計行為，方便后續開展設計評審和設計質量復查工作。

（5）軟件集成及數據傳遞。設計系統應能夠穩定調用設計者使用的計算分析軟件，完成設計流程中規定的各項計算分析工作，并實現各類計算分析輸入輸出參數的統一管理和傳遞。

2 系統總體方案

為實現上述需求，基于KBE技術提出的外涵設計系統框架如圖1所示。系統自底向上可概括為過程數據管理系統、工具系統以及過程執行系統。

圖1 設計系統框架

2.1 數據管理系統

數據管理系統包含過程數據庫、模板庫、知識庫等內容。數據庫用來存儲設計過程迭代的過程數據；模板庫包含流程、產品結構樹、典型部件設計和文件模板；知識庫包含與外涵機匣設計有關的設計文檔、經驗知識、技術文件、模型圖紙等。模板庫和知識庫通過知識收集、提取、整理、存儲實現，方便后續設計過程的調用和參考。

2.2 工具系統

集成封裝設計過程涉及的全部經驗公式、工程算法、設計軟件等，設計人員工作時直接從系統調用相應的工具軟件，完成全部設計工作，不必從Windows開始菜單啟動，相應的過程數據存儲在系統數據庫中，不在本地電腦存儲。

2.3 過程執行系統

此層級屬于任務層，在底層的數據庫和模板庫基礎上，實現流程驅動，流程顯性化，設計人員在此層通過流程驅動調用底層的軟件和數據完成設計工作。

3 系統關鍵技術

3.1 流程驅動技術

流程體現設計活動的邏輯關系、先后順序以及輸入輸出關系，最終以流程節點作為最小單元實現最基本的設計活動。設計系統采用流程驅動全部設計活動，通過激活流程節點，執行驅動工具軟件、工程計算、設計文檔查看、快速建模等任務，完成流程節點全部的設計過程（PDM結果數據提取、數據編輯、過程數據存儲、過程數據提取、結果數據存儲、提交審批）。在遵循流程進行設計的同時，應實現流程進度顯性化，數據在系統后臺傳遞和記錄，把需要顯示的流程狀態展示給用戶。

3.2 知識融合技術

將設計過程中涉及到的CAD、CAE、PDM管理融合在系統中，指導和驗證設計。通過流程的定義將流程節點與節點工作內容相關的功能模塊及知識信息進行一一關聯配置，包括節點檢查單設置、菜單綁定、流轉屬性、NX菜單綁定等，流程定義的過程即為知識顯性化的設置過程。流程定義后存儲在流程模板庫中，開展設計工作時即可調用，從而實現設計過程知識的重用。

3.3 結構快速設計技術

通過建立結構設計模板庫，在結構設計時只需調用相應的模板庫資源，即可實現快速設計[10-12]。在結構模板搭建中，應用MBD和KBE思想，參數化模塊，內嵌PMI信息，系統調用模板進行結構設計時，3維標注信息自動添加到模型中，設計者根據推送的知識信息、取值限制等完成相應的參數設置，系統自動生成帶有完整3維標注信息的3維結構模型。該過程可提高工作效率，也可規范建模和3維標注方法。

3.4 數據管理技術

數據包括過程數據、模板數據、知識數據等。為實現數據統一管理和調用，系統需搭建數據庫，存儲上述數據。其中，過程數據包含產品結構設計模型、設計文檔、仿真文件等，由于數據量龐大且不是設計結果，所以存儲在系統數據庫中采用版本管理，實現設計過程可追溯。當過程數據達到技術狀態，再轉存至PDM系統。

3.5 軟件工具集成技術

系統與其他設計軟件或分析軟件采用集成封裝，實現系統及軟件間的數據傳遞，從而實現一體化設計[13-15]。系統提供了與主流軟件的接口：NX、CAD、Fluent、Ansys、Microsoft Office、Teamcenter等，同時集成設計過程中典型的經驗公式、工程算法等，滿足設計者在知識指導下適時調用，實現過程數據傳遞以及結果數據上傳PDM系統簽署歸檔。

4 系統介紹及工程實例

4.1 系統界面

系統界面分為3部分：資源區、工作區、流程區，如圖2所示。在資源區完成產品結構樹的預定義，調用顯示需要的流程模板；在流程區查看全流程，激活流程節點，開始設計任務；在工作區預覽節點數據并啟動相應的工具軟件，通過資源區獲取相應的資源輔助，從而完成設計工作。

圖2 系統界面

4.2 流程定義界面

流程定義界面由功能區、繪制區、節點配置區組成，如圖3所示。在功能區建立流程；在繪制區繪制各流程圖，體現節點間的邏輯關系；在節點配置區完成各節點關聯項的設置，包括功能、工具、知識、屬性以及流程間的從屬關系等。通過流程定義組建流程模板庫，項目開始時在流程模板庫中選取適用的流程，開展設計工作。

圖3 流程定義界面

4.3 流程節點設計實例

以“殼體設計”節點為例，其流程狀態如圖4所示。當前節點工作內容、輸入/輸出項目及對應每條內容和項目的相關知識指導均通過查看節點檢查單獲得，如圖5所示。按指導開展殼體設計，調用NX軟件，找到殼體設計菜單，根據設計界面每項參數的涵義、取值指導、參數范圍等，完成參數設置（如圖6所示），生成外涵機匣殼體模型（如圖7所示）。該模型可以直接導入計算分析軟件進行強度評估等工作。按節點檢查單完成全部工作，全部過程數據保存在節點上，對檢查單勾選確認后，本節點工作完成，同時下一節點被激活。在節點上保存的過程數據可以根據需要進行查看，或根據流程返回修改，生成新版本。

圖4 流程狀態

圖5 節點檢查單

圖6 殼體快速設計參數設置界面

圖7 外涵機匣殼體模型

以“安裝座”節點為例，在需要同時生成結構和標注的情況下，應用帶PMI標注的快速設計工具，通過安裝座的相關參數設置即可完成具有全3維MBD標注的安裝座模型，如圖8所示。

外涵機匣設計按上例過程逐個節點和流程開展，當設計達到技術狀態在相應節點，結果數據通過系統與PDM系統間數據映射關系實現上傳（如圖9所示），在PDM系統中完成審簽。

圖8 系統安裝座建模過程

圖9 結果數據上傳PDM映射關系

5 結束語

外涵機匣設計系統目前已試用于某型發動機外涵機匣設計中，系統功能初見成效；系統中基于KBE的快速建模功能已在型號設計中得到廣泛應用。

后續將結合專業積累和系統升級對流程、知識和模板庫的進一步梳理、補充和完善，全面實現通過外涵機匣設計系統進行外涵機匣設計。