飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)知識(shí)庫的研究與實(shí)現(xiàn)

劉志存，肖興輝

LIU Zhi-cun,XIAO Xing-hui

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063009）

0 引言

復(fù)合材料作為航空航天的四大材料之一，具有很高的比強(qiáng)度和比模量，并且隨著先進(jìn)復(fù)合材料性能的不斷發(fā)展和制造工藝的不斷完善，目前已經(jīng)在航空航天構(gòu)件中獲得了廣泛的應(yīng)用，然而復(fù)合材料構(gòu)件之間的連接設(shè)計(jì)與分析是復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)中的最重要并且也是最普遍應(yīng)用的內(nèi)容之一[1]。資料顯示，大多數(shù)的復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)都不是全新的設(shè)計(jì)，而是在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但是大多數(shù)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)都存在與設(shè)計(jì)人員的頭腦中，無法以一種適當(dāng)?shù)男问焦袒聛?，從而不能做到設(shè)計(jì)知識(shí)的積累與共享。對(duì)于一個(gè)企業(yè)來說，更加成熟的產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是企業(yè)的智力資產(chǎn)，對(duì)已有的知識(shí)資產(chǎn)進(jìn)行管理，增強(qiáng)知識(shí)的可重復(fù)利用性，避免設(shè)計(jì)人員的重復(fù)工作，減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，已經(jīng)成為了一個(gè)企業(yè)贏得未來市場(chǎng)的重要能力。因此，開發(fā)一種高效率的復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)知識(shí)庫是很有必要的。

1 復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)知識(shí)庫系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

研究復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)知識(shí)庫系統(tǒng)的主要目的是模擬設(shè)計(jì)專家和技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]，首先需要設(shè)計(jì)人員通過實(shí)例的檢索與匹配模塊從實(shí)例庫中匹配以往成功的設(shè)計(jì)案例，如果能找到符合設(shè)計(jì)要求的案例，則只需對(duì)原有的案例進(jìn)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(shè)計(jì)人員通過構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)功能模塊進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)。

1.1 復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)知識(shí)庫系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)知識(shí)庫系統(tǒng)是采用的B/S結(jié)構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，其中瀏覽器層的設(shè)計(jì)與制作在visual studio 2010中完成，是設(shè)計(jì)人員與知識(shí)庫系統(tǒng)進(jìn)行交互的窗口，提供數(shù)據(jù)的輸入和輸出等功能，同時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器層負(fù)責(zé)復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)知識(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[3]。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如下：用戶通過瀏覽器發(fā)送設(shè)計(jì)請(qǐng)求，Web服務(wù)器接收請(qǐng)求并將請(qǐng)求格式化后送至邏輯服務(wù)器(Logical Server)，邏輯服務(wù)器根據(jù)用戶請(qǐng)求從數(shù)據(jù)庫中提取用戶所需知識(shí)，進(jìn)行推理，然后再將推理結(jié)果回傳給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器再將格式化的推理結(jié)果回傳給瀏覽器。復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)知識(shí)庫系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 基于實(shí)例的推理與檢索功能模塊

復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)實(shí)例庫中存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)實(shí)例主要來源有兩種：一種是搜集國內(nèi)外設(shè)計(jì)專家的成功事例；另一種是在沒有符合要求的實(shí)例的情況下，設(shè)計(jì)人員自主設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)成功的情況下，將設(shè)計(jì)成功的事例存儲(chǔ)到實(shí)例庫中。

在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行連接設(shè)計(jì)之前，首先對(duì)構(gòu)件實(shí)施實(shí)例檢索和匹配的操作，通過實(shí)例檢索與匹配功能模塊訪問實(shí)例庫中的實(shí)例，用計(jì)算相似度的方法判斷連接設(shè)計(jì)是否相似[4]，如果在實(shí)例庫中能搜索到達(dá)到設(shè)定的相似度的實(shí)例，則可以對(duì)以往的實(shí)例進(jìn)行修改之后直接使用，如果沒有能達(dá)到設(shè)定的相似度的實(shí)例，則設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)最初的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)知識(shí)庫系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

1.3 復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)模塊

在該模塊中，首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要求設(shè)計(jì)人員輸入設(shè)計(jì)條件(如構(gòu)件的工作環(huán)境、載荷情況和是否需要重復(fù)拆卸的條件)，系統(tǒng)通過推理判斷會(huì)自動(dòng)給出一種最能滿足設(shè)計(jì)要求的連接方式[5]。確定連接方式之后，根據(jù)不同的連接方式會(huì)進(jìn)入不同的分支進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1）機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)械連接是復(fù)合材料中常用的連接方式之一，機(jī)械連接設(shè)計(jì)過程中，需要完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括確定鋪層板的具體參數(shù)(如復(fù)合材料的纖維類型、鋪層比例、連接板的長(zhǎng)、寬、高等參數(shù))、選取緊固件、選擇機(jī)械連接形式和強(qiáng)度校核等。

2）膠接

膠結(jié)連接設(shè)計(jì)過程中，需要完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括確定鋪層板的詳細(xì)參數(shù)、選取膠粘劑、選擇膠接連接形式和強(qiáng)度校核等。

3）混合連接

混合連接比較復(fù)雜，需要同時(shí)兼?zhèn)錂C(jī)械連接和膠接的設(shè)計(jì)內(nèi)容。需要完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括確定鋪層板的參數(shù)、選取緊固件和膠粘劑、確定連接形式和強(qiáng)度校核。復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)流程圖

2 知識(shí)表示與推理機(jī)

2.1 產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)表示

產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)表示具有一致性、自然性和模塊性等優(yōu)點(diǎn)，知識(shí)的表達(dá)更容易讓人理解，并且技術(shù)更成熟，本系統(tǒng)的構(gòu)件連接設(shè)計(jì)過程的中規(guī)則采用此知識(shí)表示方法。

產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)表示法的一般形式為：IF P THEN Q,規(guī)則的左邊部分（即P）表示情況，確定此規(guī)則可以應(yīng)用的先決條件，右邊部分（即Q）表示動(dòng)作或者由左邊部分得出的結(jié)論。

2.2 推理機(jī)

1)基于實(shí)例的推理

基于實(shí)例的推理是通過訪問實(shí)例庫中同類的以往成功實(shí)例的求解過程和求解結(jié)果，從而獲得當(dāng)前問題的解決方法。根據(jù)實(shí)例的特征和實(shí)現(xiàn)的功能檢索相應(yīng)的實(shí)例，然后計(jì)算相似度判斷實(shí)例是否相似，基于實(shí)例的復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)推理流程如圖3所示。

2)基于規(guī)則的推理

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

圖3 基于實(shí)例復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)推理 流程圖

3 知識(shí)庫的構(gòu)建與維護(hù)

3.1 知識(shí)庫的構(gòu)建

知識(shí)庫的構(gòu)建過程實(shí)際上就是將設(shè)計(jì)用到的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)、原則、規(guī)定以及以往設(shè)計(jì)成功的案例存儲(chǔ)的過程。通過不同的推理機(jī)可以加載不同的知識(shí)庫，從而實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)計(jì)人員完成各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)工作。

在知識(shí)庫的構(gòu)件過程中，知識(shí)的獲取是最困難同時(shí)也是最重要的部分，因?yàn)橹R(shí)庫的實(shí)用性直接取決的知識(shí)庫中數(shù)據(jù)的數(shù)量以及質(zhì)量，所以知識(shí)獲取的過程直接影響知識(shí)庫的實(shí)用性。獲取知識(shí)的方法可以分為直接獲取和間接獲取兩類。本系統(tǒng)采用間接獲取的方法，即通過查詢有關(guān)教科書、手冊(cè)、國內(nèi)外文獻(xiàn)以及由企業(yè)直接提供的數(shù)據(jù)等方法獲取數(shù)據(jù)[6]。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在知識(shí)庫中，方便設(shè)計(jì)人員的使用。

3.2 知識(shí)庫的維護(hù)

知識(shí)庫的維護(hù)主要包括知識(shí)庫權(quán)限設(shè)置、知識(shí)庫操作功能設(shè)計(jì)和知識(shí)檢查功能設(shè)計(jì)。

1)知識(shí)庫權(quán)限設(shè)置

由于知識(shí)庫中存儲(chǔ)的知識(shí)是指導(dǎo)復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)的相對(duì)固定的標(biāo)準(zhǔn)，是由眾多設(shè)計(jì)專家經(jīng)過多年的積累而形成的，所以知識(shí)庫的維護(hù)需要進(jìn)行合理的權(quán)限配置。本系統(tǒng)對(duì)知識(shí)庫設(shè)置了兩個(gè)權(quán)限：系統(tǒng)管理員和普通用戶。系統(tǒng)管理員屬于高級(jí)用戶，可以對(duì)知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)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(shí)庫，對(duì)于知識(shí)庫中的知識(shí)訪問權(quán)限為“只讀”，無法對(duì)知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行更新和修改等。

2)知識(shí)庫操作功能設(shè)計(jì)

知識(shí)庫操作功能設(shè)計(jì)包括知識(shí)的添加、刪除、修改和更新等操作，利用知識(shí)庫的操作窗口，通過人機(jī)對(duì)話的方式實(shí)現(xiàn)知識(shí)的增加、刪除、修改和更新等。

3)知識(shí)檢查功能設(shè)計(jì)

知識(shí)檢查功能主要是檢查知識(shí)的完整性、一致性和冗余性等。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用ASP.net技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)庫的訪問。ASP.net與數(shù)據(jù)庫的連接通過ADO.NET實(shí)現(xiàn)。知識(shí)庫軟件采用visual studio 2010開發(fā)，開發(fā)語言為C#，使用SQL語言實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作，數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)為Oracle10i。

5 結(jié)束語

復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)知識(shí)庫能通過檢索和匹配實(shí)例庫中的實(shí)例，從而縮短設(shè)計(jì)過程和成本，也能實(shí)現(xiàn)自主的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后，將設(shè)計(jì)成功的實(shí)例存儲(chǔ)到實(shí)例庫中，這也是實(shí)例來源的一種重要途徑。本系統(tǒng)很好的解決了復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計(jì)過程中知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的固化和共享的問題，能很好的實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員的目的，具有很好的使用價(jià)值。

[1] 中國航空研究院.復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2004.

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