CATIA知识工程技术在飞机结构设计中的应用

张 航，陈 涛，王 玖

（成都飞机工业（集团）有限责任公司技术中心，成都 610092）

0 引言

大型民用飞机设计与制造是衡量一个国家科技、工业水平和综合国力的重要标志之一，随着数字化设计制造能力的提升，对飞机的研制方法也产生了根本性的转变，由传统的基于物理样机的串行设计转变为基于电子样机的并行式设计[1]。同时由于国内国际飞机制造业目前已逐步采用制造商与供应商的合作新模式[2,3]，即飞机部件设计与制造生产转包给供应商，形成一个分散的研发团队协同设计与制造。因此如何进一步提高飞机设计的效率，同时最大化利用已有机型、部件设计经验，实现并行式、多型号结构设计是飞机制造业面临的普遍难题。知识工程则有助于解决这一问题。

CATIA V5是航空业主流的三维设计软件，其具有强大的知识工程功能和参数化建模能力，可以对已有设计经验和知识进行融合，同时结合现有制造工艺，进行快速设计，减少迭代次数，提高设计效率与设计质量。国内目前已有研发机构和制造企业采用CATIA知识模板，如超级副本（Power Copy）或用户特征（User Defined Feature）简化建模过程[4]，采用CATIA知识工程目录库（Catalog）技术构建标准件库[5,6]或特征库。对于结构建模过程中存在大量类似特征时，需要重复性工作时，采用手动调用知识模板更改输入条件则工作量较大，且容易发生错误；采用CATIA二次开发技术则较强的编程能力。CATIA产品知识模板（PKT，Product Knowledge Template）则提供了更加快速便捷的方法。本文采用CATIA V5知识工程技术，以某大型民用飞机机头框结构为例，详细介绍设计表、用户特征、知识工程阵列和目录库等知识工程技术的使用。

1 CATIA知识工程技术

知识工程（KBE，Knowledge Based Engineering）最早由美国斯坦福大学的Feigenbaum教授于1977年提出，旨在利用经验知识并与人工智能相关以解决实际问题。经过几十年的发展，知识工程最为重要的应用则是与CAX系统（计算机辅助设计技术的总称）的结合，传统的CAD系统无法将所处专业领域的专家知识和以往的设计经验融入到最终的产品模型中，无法实现知识智能的再利用，设计人员仍有可能将自己的重复性错误带入到重复性工作中，不利于设计效率和设计质量的保证。采用知识工程技术则有助于解决这一问题。英国Cranefield大学将知识工程应用于ARA公司的飞机部件风洞模型中[7]，效率得到大幅提升，British Aerospace公司则将知识工程应用于A340-600飞机的翼脚设计中，缩短了设计周期[8]。

据统计可知，在飞机零部件设计中，只有20%的零部件需要重新设计，余下的80%都可以直接重用或略作修改使用[9,10]。CATIA产品知识模板允许用户通过便捷的方式将典型特征和典型零部件、装配件分别以知识模板和文档模板的形式将以往的设计经验加以利用。通过这种方式，避免因现有设计过于复杂或难以理解而无法重现造成的重复设计，使得设计人员无需关注建模的具体过程，而是将精力更多的投入到设计和创新中。对于产品供应商而言，CATIA产品知识模板提供了一种在不开放设计方法和规则的前提下，将设计数据传递给合作商，便于知识产权的保护，而合作商也可利用其内部知识。

2 CATIA知识工程在飞机结构设计中的应用流程

为明确CATIA产品知识模板在飞机结构设计中的应用，本文提出以下应用流程，如图1所示。在创建飞机结构某一部件时，应先部分引用骨架模型，作为后续建模过程输入条件；针对部件建模中具有大量重复类似特征，先创建其中一个特征，然后根据这个特征创建用户特征或超级副本，若设计者所在设计部门已有完善的特征目录库，则可从目录库中引用用户特征或超级副本[6]；通过编写并执行知识工程阵列程序来实现批量生成重复类似特征；最后完善结构特征，如进行倒角、分割等，得到最终的零件文档。在创建用户特征或超级副本时，可发布设计参数，方便后续修改，用户特征还可与设计表相关联，更为便捷的控制修改设计参数。

图1 CATIA产品知识模板应用流程图

3 应用实例

大型民用飞机机头主要结构包括横向隔框、纵向长桁、梁以及蒙皮。机身隔框主要分为浮框式和非浮框式两种，其中非浮框式的机身框需要在结构上开口，便于纵向件长桁的布置，并布置放射状筋条提高结构刚度，布置环状筋条提高结构的抗开裂损伤能力。其结构较为复杂，零件数量多，工作量大，且不同站位隔框结构形式相似，可寻求使用知识工程技术快速建模，提高建模效率。

3.1 骨架模型

在飞机设计中，总体、结构和系统之间的模型存在设计关联与协调关系。一般总体外形或参数的变化作为输入依据被结构或系统所引用。骨架模型即是包含设计过程中所依据的关键设计输入要素的集合。即上级设计发布的输入元素可以被下级设计所引用。采用关联设计技术，可实现各零部件设计所需的设计基准等参考信息均来自同一个骨架模型[11]。图2为某民机机头外形部段和长桁占位面骨架元素图。

图2 框结构外部引用元素

3.2 带设计表的用户特征的创建

CATIA产品知识模板模块可将设计知识集成在超级副本、用户特征、零件文档和产品文档模板中，其中用户特征是包含各种参数信息的一组特征，可以被运用到不同工况下，以快速创建出某些相似的特征。同时用户特征生成的是一个UDF封装，将所有特征整合到一个UDF封装下，并且UDF可以选择保留、不保留或部分保留建模过程。因此用户特征具有结构简洁、便于保护设计知识产权的特点。

设计表为零件或特征的创建提供了一种有效的方式，设计表一般采用Excel电子表格或Text文本作为控制文件，在表格或文本下编辑参数，控制零件或特征内的参数变化，从而达到控制零件或特征的目的。

创建带有设计表的用户特征则可以将两者之间的优势结合起来，在零件建模时，采用用户特征快速实例化特征，同时利用设计表对相同参数值的特征快速修改、控制，对不同参数值的特征设置不同的配置进行控制。

在飞机机头骨架确定之后，即可创建零件建模特征，如图3所示2型长桁缺口特征。根据零件建模特征，可创建包含建模特征的用户特征，如图4所示的长桁缺口用户特征，作为知识工程阵列的模板。在建立用户特征时，应明确设计目标和简化输入条件。确保选择的输出特征是由参数进行控制，并且参数应与设计表关联。如若没有参数控制或参数没有与设计表关联，应创建参数或创建设计表与参数进行关联。

图3 长桁缺口特征

图4 长桁缺口用户特征示意图

3.3 知识工程阵列编写与执行

CATIA产品知识模板中的知识工程阵列命令提供了一种循环生成某种建模特征的方法，结合CATIA强大的函数功能，通过不停的替换输入条件，得到不同的输出，可以实现较为复杂，工作量较大的建模过程。因此利用知识工程阵列命令可以对超级副本和用户特征的输入元素和参数进行修改，批量生成类似建模特征，以提高建模效率。本节以2型长桁缺口特征为例说明知识工程阵列命令的编写与执行，在编写调用2型长桁缺口用户特征语句过程中，要明确生成后在CATIA模型树上放置的位置；完成2型长桁缺口用户特征后，执行对应的知识工程阵列程序，生成三维模型如图5所示。

知识工程程序代码详解：

图5 批量生成长桁缺口特征

图6 知识工程阵列命令

3.4 将用户特征保存至目录库

由上节可知，知识工程阵列命令与用户特征相结合，可快速地大批量实例化类似的特征。如何将零件建模中所用到的用户特征应用到其他零件的建模过程中，避免重复建立用户特征，CATIA的目录库（Catalog）提供了一种很好的解决方法，通过目录库可以将设计者创建的超级副本、用户特征、零件文档模板、产品文档模板等以章节、系列的形式保存下来[12]，对于一个飞机设计部门来讲，具有重大的意义，它可以将已有机型的设计经验以特征或零件的形式保存下来，同时合理运用目录库也可以大大提高设计效率。图7为将长桁缺口用户特征保存至已有目录库中。

图7 将用户特征保存至目录库

3.5 整体应用

图8为采用知识工程命令从目录库调用长桁缺口特征完成框结构建模。

图8 框结构知识工程应用实例

在民机机头结构设计中存在大量类似建模特征，完全采用手动重复建模，效率较差。以长桁缺口为例，手动单独建立一个长桁缺口特征，包含几何图形集内容，需耗时10分钟，一个整框约有类似长桁缺口100多个，完全手动操作，约16个小时，不仅耗时极长且容易发生错误；若在创建一个长桁缺口特征后，创建知识工程里的超级副本或用户特征，仅需约1分钟，然后在其他位置实例化长桁缺口特征，平均每个实例化约耗时30秒，全过程耗时约80分钟，但容易出现人因错误且不易修改；若完全采用知识工程技术建模，即通过知识工程阵列命令来实现批量实例化特征，全过程仅耗时约20分钟。因此，特别是针对结构设计中存在大量类似建模特征的情况下，本文所提方法有着广阔的应用空间。图9为以上3种方法完成机头框结构长桁特征建模所需时间。

4 结语

本文基于CATIA知识工程技术，探讨了其在飞机结构设计中的应用，通过采用设计表、用户特征、知识工程阵列以及目录库命令，解决了在飞机结构零部件建模中存在大量类似建模特征时存在的设计人员工作量较大，结构树冗长，不易修改，且容易发生人因错误的问题。采用CATIA知识工程技术实现了批量生成类似特征并快速修改的功能，完成了对以往设计经验的再利用，提高了设计效率和设计质量。同时为飞机设计部门并行式、多型号结构设计研发提供了一种新的解决思路。