CATIA知識工程技術在飛機結構設計中的應用

張 航，陳 濤，王 玖

（成都飛機工業（集團）有限責任公司技術中心，成都 610092）

0 引言

大型民用飛機設計與制造是衡量一個國家科技、工業水平和綜合國力的重要標志之一，隨著數字化設計制造能力的提升，對飛機的研制方法也產生了根本性的轉變，由傳統的基于物理樣機的串行設計轉變為基于電子樣機的并行式設計[1]。同時由于國內國際飛機制造業目前已逐步采用制造商與供應商的合作新模式[2,3]，即飛機部件設計與制造生產轉包給供應商，形成一個分散的研發團隊協同設計與制造。因此如何進一步提高飛機設計的效率，同時最大化利用已有機型、部件設計經驗，實現并行式、多型號結構設計是飛機制造業面臨的普遍難題。知識工程則有助于解決這一問題。

CATIA V5是航空業主流的三維設計軟件，其具有強大的知識工程功能和參數化建模能力，可以對已有設計經驗和知識進行融合，同時結合現有制造工藝，進行快速設計，減少迭代次數，提高設計效率與設計質量。國內目前已有研發機構和制造企業采用CATIA知識模板，如超級副本（Power Copy）或用戶特征（User Defined Feature）簡化建模過程[4]，采用CATIA知識工程目錄庫（Catalog）技術構建標準件庫[5,6]或特征庫。對于結構建模過程中存在大量類似特征時，需要重復性工作時，采用手動調用知識模板更改輸入條件則工作量較大，且容易發生錯誤；采用CATIA二次開發技術則較強的編程能力。CATIA產品知識模板（PKT，Product Knowledge Template）則提供了更加快速便捷的方法。本文采用CATIA V5知識工程技術，以某大型民用飛機機頭框結構為例，詳細介紹設計表、用戶特征、知識工程陣列和目錄庫等知識工程技術的使用。

1 CATIA知識工程技術

知識工程（KBE，Knowledge Based Engineering）最早由美國斯坦福大學的Feigenbaum教授于1977年提出，旨在利用經驗知識并與人工智能相關以解決實際問題。經過幾十年的發展，知識工程最為重要的應用則是與CAX系統（計算機輔助設計技術的總稱）的結合，傳統的CAD系統無法將所處專業領域的專家知識和以往的設計經驗融入到最終的產品模型中，無法實現知識智能的再利用，設計人員仍有可能將自己的重復性錯誤帶入到重復性工作中，不利于設計效率和設計質量的保證。采用知識工程技術則有助于解決這一問題。英國Cranefield大學將知識工程應用于ARA公司的飛機部件風洞模型中[7]，效率得到大幅提升，British Aerospace公司則將知識工程應用于A340-600飛機的翼腳設計中，縮短了設計周期[8]。

據統計可知，在飛機零部件設計中，只有20%的零部件需要重新設計，余下的80%都可以直接重用或略作修改使用[9,10]。CATIA產品知識模板允許用戶通過便捷的方式將典型特征和典型零部件、裝配件分別以知識模板和文檔模板的形式將以往的設計經驗加以利用。通過這種方式，避免因現有設計過于復雜或難以理解而無法重現造成的重復設計，使得設計人員無需關注建模的具體過程，而是將精力更多的投入到設計和創新中。對于產品供應商而言，CATIA產品知識模板提供了一種在不開放設計方法和規則的前提下，將設計數據傳遞給合作商，便于知識產權的保護，而合作商也可利用其內部知識。

2 CATIA知識工程在飛機結構設計中的應用流程

為明確CATIA產品知識模板在飛機結構設計中的應用，本文提出以下應用流程，如圖1所示。在創建飛機結構某一部件時，應先部分引用骨架模型，作為后續建模過程輸入條件；針對部件建模中具有大量重復類似特征，先創建其中一個特征，然后根據這個特征創建用戶特征或超級副本，若設計者所在設計部門已有完善的特征目錄庫，則可從目錄庫中引用用戶特征或超級副本[6]；通過編寫并執行知識工程陣列程序來實現批量生成重復類似特征；最后完善結構特征，如進行倒角、分割等，得到最終的零件文檔。在創建用戶特征或超級副本時，可發布設計參數，方便后續修改，用戶特征還可與設計表相關聯，更為便捷的控制修改設計參數。

圖1 CATIA產品知識模板應用流程圖

3 應用實例

大型民用飛機機頭主要結構包括橫向隔框、縱向長桁、梁以及蒙皮。機身隔框主要分為浮框式和非浮框式兩種，其中非浮框式的機身框需要在結構上開口，便于縱向件長桁的布置，并布置放射狀筋條提高結構剛度，布置環狀筋條提高結構的抗開裂損傷能力。其結構較為復雜，零件數量多，工作量大，且不同站位隔框結構形式相似，可尋求使用知識工程技術快速建模，提高建模效率。

3.1 骨架模型

在飛機設計中，總體、結構和系統之間的模型存在設計關聯與協調關系。一般總體外形或參數的變化作為輸入依據被結構或系統所引用。骨架模型即是包含設計過程中所依據的關鍵設計輸入要素的集合。即上級設計發布的輸入元素可以被下級設計所引用。采用關聯設計技術，可實現各零部件設計所需的設計基準等參考信息均來自同一個骨架模型[11]。圖2為某民機機頭外形部段和長桁占位面骨架元素圖。

圖2 框結構外部引用元素

3.2 帶設計表的用戶特征的創建

CATIA產品知識模板模塊可將設計知識集成在超級副本、用戶特征、零件文檔和產品文檔模板中，其中用戶特征是包含各種參數信息的一組特征，可以被運用到不同工況下，以快速創建出某些相似的特征。同時用戶特征生成的是一個UDF封裝，將所有特征整合到一個UDF封裝下，并且UDF可以選擇保留、不保留或部分保留建模過程。因此用戶特征具有結構簡潔、便于保護設計知識產權的特點。

設計表為零件或特征的創建提供了一種有效的方式，設計表一般采用Excel電子表格或Text文本作為控制文件，在表格或文本下編輯參數，控制零件或特征內的參數變化，從而達到控制零件或特征的目的。

創建帶有設計表的用戶特征則可以將兩者之間的優勢結合起來，在零件建模時，采用用戶特征快速實例化特征，同時利用設計表對相同參數值的特征快速修改、控制，對不同參數值的特征設置不同的配置進行控制。

在飛機機頭骨架確定之后，即可創建零件建模特征，如圖3所示2型長桁缺口特征。根據零件建模特征，可創建包含建模特征的用戶特征，如圖4所示的長桁缺口用戶特征，作為知識工程陣列的模板。在建立用戶特征時，應明確設計目標和簡化輸入條件。確保選擇的輸出特征是由參數進行控制，并且參數應與設計表關聯。如若沒有參數控制或參數沒有與設計表關聯，應創建參數或創建設計表與參數進行關聯。

圖3 長桁缺口特征

圖4 長桁缺口用戶特征示意圖

3.3 知識工程陣列編寫與執行

CATIA產品知識模板中的知識工程陣列命令提供了一種循環生成某種建模特征的方法，結合CATIA強大的函數功能，通過不停的替換輸入條件，得到不同的輸出，可以實現較為復雜，工作量較大的建模過程。因此利用知識工程陣列命令可以對超級副本和用戶特征的輸入元素和參數進行修改，批量生成類似建模特征，以提高建模效率。本節以2型長桁缺口特征為例說明知識工程陣列命令的編寫與執行，在編寫調用2型長桁缺口用戶特征語句過程中，要明確生成后在CATIA模型樹上放置的位置；完成2型長桁缺口用戶特征后，執行對應的知識工程陣列程序，生成三維模型如圖5所示。

知識工程程序代碼詳解：

圖5 批量生成長桁缺口特征

圖6 知識工程陣列命令

3.4 將用戶特征保存至目錄庫

由上節可知，知識工程陣列命令與用戶特征相結合，可快速地大批量實例化類似的特征。如何將零件建模中所用到的用戶特征應用到其他零件的建模過程中，避免重復建立用戶特征，CATIA的目錄庫（Catalog）提供了一種很好的解決方法，通過目錄庫可以將設計者創建的超級副本、用戶特征、零件文檔模板、產品文檔模板等以章節、系列的形式保存下來[12]，對于一個飛機設計部門來講，具有重大的意義，它可以將已有機型的設計經驗以特征或零件的形式保存下來，同時合理運用目錄庫也可以大大提高設計效率。圖7為將長桁缺口用戶特征保存至已有目錄庫中。

圖7 將用戶特征保存至目錄庫

3.5 整體應用

圖8為采用知識工程命令從目錄庫調用長桁缺口特征完成框結構建模。

圖8 框結構知識工程應用實例

在民機機頭結構設計中存在大量類似建模特征，完全采用手動重復建模，效率較差。以長桁缺口為例，手動單獨建立一個長桁缺口特征，包含幾何圖形集內容，需耗時10分鐘，一個整框約有類似長桁缺口100多個，完全手動操作，約16個小時，不僅耗時極長且容易發生錯誤；若在創建一個長桁缺口特征后，創建知識工程里的超級副本或用戶特征，僅需約1分鐘，然后在其他位置實例化長桁缺口特征，平均每個實例化約耗時30秒，全過程耗時約80分鐘，但容易出現人因錯誤且不易修改；若完全采用知識工程技術建模，即通過知識工程陣列命令來實現批量實例化特征，全過程僅耗時約20分鐘。因此，特別是針對結構設計中存在大量類似建模特征的情況下，本文所提方法有著廣闊的應用空間。圖9為以上3種方法完成機頭框結構長桁特征建模所需時間。

4 結語

本文基于CATIA知識工程技術，探討了其在飛機結構設計中的應用，通過采用設計表、用戶特征、知識工程陣列以及目錄庫命令，解決了在飛機結構零部件建模中存在大量類似建模特征時存在的設計人員工作量較大，結構樹冗長，不易修改，且容易發生人因錯誤的問題。采用CATIA知識工程技術實現了批量生成類似特征并快速修改的功能，完成了對以往設計經驗的再利用，提高了設計效率和設計質量。同時為飛機設計部門并行式、多型號結構設計研發提供了一種新的解決思路。