飞机复合材料构件连接设计知识库的研究与实现

刘志存，肖兴辉

LIU Zhi-cun,XIAO Xing-hui

（河北联合大学 机械工程学院，唐山 063009）

0 引言

复合材料作为航空航天的四大材料之一，具有很高的比强度和比模量，并且随着先进复合材料性能的不断发展和制造工艺的不断完善，目前已经在航空航天构件中获得了广泛的应用，然而复合材料构件之间的连接设计与分析是复合材料构件设计中的最重要并且也是最普遍应用的内容之一[1]。资料显示，大多数的复合材料构件连接设计都不是全新的设计，而是在原有的基础上进行的，但是大多数的设计经验都存在与设计人员的头脑中，无法以一种适当的形式固化下来，从而不能做到设计知识的积累与共享。对于一个企业来说，更加成熟的产品相关数据和设计经验是企业的智力资产，对已有的知识资产进行管理，增强知识的可重复利用性，避免设计人员的重复工作，减少产品的设计成本，已经成为了一个企业赢得未来市场的重要能力。因此，开发一种高效率的复合材料构件连接设计知识库是很有必要的。

1 复合材料构件连接设计知识库系统总体设计

研究复合材料构件连接设计知识库系统的主要目的是模拟设计专家和技术人员进行设计[2]，首先需要设计人员通过实例的检索与匹配模块从实例库中匹配以往成功的设计案例，如果能找到符合设计要求的案例，则只需对原有的案例进行修改之后直接使用，如果没有匹配到符合要求的案例，则需要设计人员通过构件的连接设计功能模块进行完整的设计。

1.1 复合材料构件连接设计知识库系统总体框架设计

复合材料构件连接设计知识库系统是采用的B/S结构，即浏览器/服务器结构，其中浏览器层的设计与制作在visual studio 2010中完成，是设计人员与知识库系统进行交互的窗口，提供数据的输入和输出等功能，同时数据服务器层负责复合材料构件连接设计知识数据的存储[3]。本系统的设计思路如下：用户通过浏览器发送设计请求，Web服务器接收请求并将请求格式化后送至逻辑服务器(Logical Server)，逻辑服务器根据用户请求从数据库中提取用户所需知识，进行推理，然后再将推理结果回传给Web服务器，Web服务器再将格式化的推理结果回传给浏览器。复合材料构件连接设计知识库系统框架结构图如图1所示。

1.2 基于实例的推理与检索功能模块

复合材料构件连接设计实例库中存储的设计实例主要来源有两种：一种是搜集国内外设计专家的成功事例；另一种是在没有符合要求的实例的情况下，设计人员自主设计，并且设计成功的情况下，将设计成功的事例存储到实例库中。

在对构件进行连接设计之前，首先对构件实施实例检索和匹配的操作，通过实例检索与匹配功能模块访问实例库中的实例，用计算相似度的方法判断连接设计是否相似[4]，如果在实例库中能搜索到达到设定的相似度的实例，则可以对以往的实例进行修改之后直接使用，如果没有能达到设定的相似度的实例，则设计人员需要根据最初的设计要求进行设计。

图1 复合材料构件连接设计知识库系统框架结构图

1.3 复合材料构件连接设计模块

在该模块中，首先根据设计要求，要求设计人员输入设计条件(如构件的工作环境、载荷情况和是否需要重复拆卸的条件)，系统通过推理判断会自动给出一种最能满足设计要求的连接方式[5]。确定连接方式之后，根据不同的连接方式会进入不同的分支进行设计。

1）机械设计

机械连接是复合材料中常用的连接方式之一，机械连接设计过程中，需要完成的设计内容，包括确定铺层板的具体参数(如复合材料的纤维类型、铺层比例、连接板的长、宽、高等参数)、选取紧固件、选择机械连接形式和强度校核等。

2）胶接

胶结连接设计过程中，需要完成的设计内容，包括确定铺层板的详细参数、选取胶粘剂、选择胶接连接形式和强度校核等。

3）混合连接

混合连接比较复杂，需要同时兼备机械连接和胶接的设计内容。需要完成的设计内容，包括确定铺层板的参数、选取紧固件和胶粘剂、确定连接形式和强度校核。复合材料构件连接设计模块的设计流程如图2所示。

图2 复合材料构件连接设计模块设计流程图

2 知识表示与推理机

2.1 产生式规则知识表示

产生式规则知识表示具有一致性、自然性和模块性等优点，知识的表达更容易让人理解，并且技术更成熟，本系统的构件连接设计过程的中规则采用此知识表示方法。

产生式规则知识表示法的一般形式为：IF P THEN Q,规则的左边部分（即P）表示情况，确定此规则可以应用的先决条件，右边部分（即Q）表示动作或者由左边部分得出的结论。

2.2 推理机

1)基于实例的推理

基于实例的推理是通过访问实例库中同类的以往成功实例的求解过程和求解结果，从而获得当前问题的解决方法。根据实例的特征和实现的功能检索相应的实例，然后计算相似度判断实例是否相似，基于实例的复合材料构件连接设计推理流程如图3所示。

2)基于规则的推理

规则库采用基于规则的正向推理过程，其基本思想是：从问题已有的事实出发，根据输入数据，匹配规则的左边部分（即条件部分），当规则的左边部分（即条件部分）与已有的事实相匹配时，就把该规则作为可用规则放到规则行列中，然后通过冲突消解，在候选行列中选择一条规则进行推理，并将其结论放到数据库中，作为下一步推理的证据。

图3 基于实例复合材料构件连接设计推理 流程图

3 知识库的构建与维护

3.1 知识库的构建

知识库的构建过程实际上就是将设计用到的经验、数据、原则、规定以及以往设计成功的案例存储的过程。通过不同的推理机可以加载不同的知识库，从而实现辅助设计人员完成各个环节的设计工作。

在知识库的构件过程中，知识的获取是最困难同时也是最重要的部分，因为知识库的实用性直接取决的知识库中数据的数量以及质量，所以知识获取的过程直接影响知识库的实用性。获取知识的方法可以分为直接获取和间接获取两类。本系统采用间接获取的方法，即通过查询有关教科书、手册、国内外文献以及由企业直接提供的数据等方法获取数据[6]。这些数据存储在知识库中，方便设计人员的使用。

3.2 知识库的维护

知识库的维护主要包括知识库权限设置、知识库操作功能设计和知识检查功能设计。

1)知识库权限设置

由于知识库中存储的知识是指导复合材料构件连接设计的相对固定的标准，是由众多设计专家经过多年的积累而形成的，所以知识库的维护需要进行合理的权限配置。本系统对知识库设置了两个权限：系统管理员和普通用户。系统管理员属于高级用户，可以对知识库中的知识进行添加、修改和删除等操作，而普通用户则只能访问和使用知识库，对于知识库中的知识访问权限为“只读”，无法对知识库中的知识进行更新和修改等。

2)知识库操作功能设计

知识库操作功能设计包括知识的添加、删除、修改和更新等操作，利用知识库的操作窗口，通过人机对话的方式实现知识的增加、删除、修改和更新等。

3)知识检查功能设计

知识检查功能主要是检查知识的完整性、一致性和冗余性等。

4 系统的实现

本系统采用B/S结构，即浏览器/服务器结构。系统采用ASP.net技术实现对知识库的访问。ASP.net与数据库的连接通过ADO.NET实现。知识库软件采用visual studio 2010开发，开发语言为C#，使用SQL语言实现对数据库的操作，数据库的管理系统为Oracle10i。

5 结束语

复合材料构件连接设计知识库能通过检索和匹配实例库中的实例，从而缩短设计过程和成本，也能实现自主的设计，设计完成后，将设计成功的实例存储到实例库中，这也是实例来源的一种重要途径。本系统很好的解决了复合材料构件连接设计过程中知识和经验的固化和共享的问题，能很好的实现指导设计人员的目的，具有很好的使用价值。

[1] 中国航空研究院.复合材料构件设计手册[M].北京:航空工业出版社,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] 刘亚琳,范玉青,张丽华.复合材料构件设计知识库研究与实现[J].航空维修与工程,2006(2):39-43.

[4] 梅中义,周俊,范玉青.基于CATIA的复合材料构件设计知识库系统[J].航空制造技术,2008(3):56-59.

[5] 富威,王鹏,李庆芬.基于Web的复合材料设计专家系统[J].哈尔冰工程大学学报,2004(12):773-776.

[6] 张虹,周来水.飞机复合材料构件工装设计知识库研究与实现[J].中国制造业信息化,2007(8):16-20.