基于知识的航空产品数字化设计

机械 2007 年第 5 期 总第 34 卷 设计与研究 7 收稿日期：20061213 基金项目：西安邮电学院中青年教师科研基金（ZL200615）作者简介：李丽萍（1978），女，毕业于西北工业大学，硕士学历，西安邮电学院应用数理系助教，主要研究方向为 CAD/CAM，虚拟装配。基于知识的航空产品数字化设计 李丽萍（西安邮电学院 应用数理系，陕西 西安 710121）摘要：将数字化产品定义技术引入到航空产品设计中，是实现产品快速研制的有效手段。航空产品设计知识的产品过程资源模型能充分表达设计过程中的各类信息及其相互关联。采用框架形式对上述信息加以描述，提出并研究设计模板与设计导航技术，引导设计人员进行规范化、快速的产品设计，从而保证数字化设计规范的有效实施。关键词：数字化产品定义；架表示；计模板；计导航；于实例的推理 中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：10060316（2007）05000704 Digital dsign bsed on kowledge for arcraft poduct LI Li-ping Department of Applied Mathematics and Physics,Xi（an University of Post Telecommunications，Xian 710121China，），）Abstract:It is a sound approach to combine digital product development technique with aircraft designso as to contribute to the，rapid development of aircraft product.The Product-Process-Resource model of aircraft design knowledge can rationally express design information and its relationship.The paper deals with design template and design navigation for aircraft products based on the frame representation of information.The work enables designers to design product efficiently that conform to digital product design standards.Key words:digital product development；ame representation；esign template；esign navigation；ase-based reasoning航空产品相似的零部件结构特点决定其产品设计是一个继承与重用相结合的过程。借鉴已研制机型典型结构件的设计方案和设计过程中所形成的设计知识与经验进行零部件设计，是实现产品快速设计的重要依据。数字化产品定义技术面向从设计、分析、制造、装配到维护、销售、服务等全生命周期的各个环节，用于描述和定义产品全生命周期的数字化过程中所应包含的信息，及信息间的关联关系，使其成为计算机中可实现、可管理和可使用的信息。产品设计所产生的信息是产品整个开发周期中的源头信息，支持产品开发后续阶段的顺利进行。因此，开发一个高效的产品设计方案是制造业中倍受关注的问题之一。DPD 技术最初由美国 Boeing 公司提出，并在Boeing777 机型的研制中得到成功应用。我国航空第一集团公司在预研项目“异地无纸设计制造技术”中，对 DPD 技术进行了研究，开创了国内 DPD 技术研究的先河1。飞机研制是一个庞大而复杂的系统工程，产品设计若缺少统一完善的建模规范，将因设计人员的设计习惯和设计经验的不同，产生多种设计方案，难以保证产品模型的一致性。此外，如何保证设计者自觉地按照数字化建模规范进行产品设计也是值得关注的问题。设计模板和设计导航技术将建模规范与各种约束条件有机地结合起来，引导设计人员规范地进行每一步设计活动，直到完成整个数字化设计流程。本文对数字化产品开发环境下的设计模板和设计导航技术进行研究，以设计知识的框架表示为基础，构建 DPD 规范，引导设计者快速、高效地完成产品设计。1 于框架表示的航空产品设计知识描述 在计算机中存储大量与产品开发有关的电子信息，并构建一个结构合理的设计资源库是实现设计8 设计与研究 机械 2007 年第 5 期 总第 34 卷 模板和设计导航的重要前提。本文以产品过程资源核心模型为基础，介绍产品设计知识，以知识框架的表示形式对其进行描述。1.1 设计知识的产品-过程-资源核心模型 航空产品设计以产品设计需求为前提，设计过程中加入产品建模规范、产品数据管理规范等控制和约束，同时引入设计知识重用、基于实例的推理及相关方法、理论等机制，最终获得产品设计目标。设计过程中，产品特点与制造资源紧密联系。由此，将 PPR 核心模型定义为如下三元组：PPR model=P1，P2，R，每个元素分别表示：P1产品；P2过程；R资源。其中，P1由三部分构成：P1=P11，P12，P13，分别代表：需求产品，概念产品和详细产品。同理，P2，R 可表示为：P2P21，P22，P23和 RR1，R2，R3，R4，R5。所包括的子元素分别是：需求分析过程、概念设计过程、详细设计过程；人力资源、财力资源、物料、软硬件资源、建模规范。每个子元素又可由若干项构成，如 P11可表示为：P11=P111，P112，P113，P114，P115，分别代表：产品 ID、产品名称、需求特征、材料和维护。产品过程资源核心模型将所描述的产品对象与制造过程和企业资源三者集于一身，三者相互独立又相互制约。在资源的支持下，产品设计得以进行，并产生相应的设计产品。1.2 设计知识的框架表示 设计知识的组织方式，是产品实现知识重用和快速设计的重要指标。PPR 核心模型表达的航空产品设计知识层次多，结构复杂，本文优选结构性较好的框架表示法。框架由槽组成，槽包含任意数目侧面，侧面又有任意数目值，一般形式如下：（值 111，值 112，.）（值 121，值 122，）（值 131，值 132，）PPR 知识模型的 PPR 核心模型如图 1 所示。过程产品部件1部件2部件3部件n.组件1组件2组件m.零件1零件k框架名:需求产品框架名:概念产品框架名:详细产品产品ID:产品名称:需求特征:材料:维护:基本外形结构:数量:位置:大小:装配结构布局:装配特征:约束:零件数目:零件1:尺寸:加工方法:零件2:.产品框架名:需求分析过程需求获取:起止日期:评估和管理:功能需求分解:实例需求模型：框架名:概念设计过程功能分解:寻求子原理解:概念产品评估:框架名:详细设计过程零部件设计：结构设计：工艺方案设计：工装设计：框架名:企业资源人力资源:参与单位及人数:技术员人数:请假人数:财力资源:预算:拨款:物料:材料供应:工具:软硬件资源:.资源 图 1 航空产品 PPR知识模型的框架表示 需求概念详细，不同阶段产生不同的产品设计知识，资源始终伴随其中。这种表示方法高度模拟了人脑对设计知识多方面、多层次的存储结构，不仅对知识进行了分层处理和表示，还表达了 PPR核心模型中三元素间的关系及各元素的内部结构关系。2 基于知识框架表示的设计模板设计导航 一个有经验的设计者在设计新产品时，通常先考虑已有的设计实例和设计经验，再制定具体设计方案。在设计阶段，设计经验和设计知识的重用可以实现航空产品快速设计，有助于提高一次设计成功率。手工绘图设计过程中，以纸介质传递设计信息和经验，由于仅靠人的大脑记忆，使该方法具有模糊性。而采用数字化定义技术进行产品设计时，这些设计信息、设计经验和设计知识都以电子文档机械 2007 年第 5 期 总第 34 卷 设计与研究 9 进行传递，这为信息、经验和知识的扩展、传递、查询、交流、重用等提供了快捷方便的设计支持，大大提高了经验和知识的利用率和设计效率。因此，借助计算机对设计知识进行组织、管理与重用，以设计模板和设计导航的形式辅助设计者进行设计是非常必要的。产品设计过程是将产品市场需求映射成产品功能要求，并将功能要求转化成实现该功能要求的产品工程结构的过程。具有后台设计知识库支持和前台界面引导的模板能够解决产品的数字化设计问题。此外，实现产品快速设计的要求也对设计模板和设计导航提出了迫切需求。2.1 设计模板 产品设计模板与具体、可用的产品设计模块不同，它是模块的抽象，是设计模块的通用模型。一个合格的模板应首先保证模板设计的合理性，其次应具有可扩展性。这要求模板集成大量的设计知识并预留再设计接口。以机翼外形设计为例，某型机翼设计模板的创建是从已有机型的机翼实例出发，提取关键设计知识，经过专家的方案构思，再创建模板参数化 CAD模型的过程2。该模板的创建过程如图 2 所示。图 2 模板创建过程 创建步骤如下：对已有机型的机翼进行归纳，提取结构特征以进行方案构思，提取设计知识以预留设计信息接口；得到初始实例；对该实例进行抽象化、标准化，创建模板实例；合理性分析，如不合理，则返回 step1，重新进行方案构思；参数化建模得到基于 CAD 平台的参数化模板。模板的形成离不开知识的支持，图 1 框架表示中，每个框架形成独立的知识单元，对框架内容增、删、改的操作只需对框架的槽及属性作相应的增、删、改，不影响其他框架。这使框架表示具有一定的模块性，基于框架表示的模板设计，使模板具有很好的再设计接口。以航空产品为核心，根据产品的需求分析、概念设计、详细设计三个设计阶段进行模板分析和设计。分别定义各个阶段的关键步骤，将其进行归纳和形式化描述，形成完成该步骤的设计模板。于是产生若干个产品设计模板，所有模板共同完成产品的设计任务。由于三个阶段既有顺序上的逻辑性，又有相互之间的重叠性。这种分阶段进行的设计过程体现了自顶向下的设计思想，设计要求和设计信息自顶向下传递，在一个阶段进行设计和细化后，设计活动转入另一个阶段继续进行。这种设计过程在本质上符合由抽象到具体、由整体到局部的人的思维活动规律。需求分析阶段主要是明确航空产品的功能需求和设计要求。概念设计阶段是根据设计任务设计出一个合理的设计方案，包括产品外形设计、详细的产品布置图和工程分析等。详细设计阶段则进行飞机零部件设计、结构设计、工艺方案设计和工装设计等。模板设计中涉及到基于实例的推理技术，该技术以类比推理为理论基础，利用过去解决相似问题的经验来解决当前的问题。将该技术运用到产品设计的各个阶段可以提高设计水平和效率。如概念设计实例可以帮助设计人员重用专家在概念设计中的设计结果，详细设计阶段所利用的实例表现为各种具体典型部件（零件），相应的评价方法（强度校核方法、结构工艺评价方法等）和各种设计规范。以模板进行产品设计，能达到设计文件深度一致、内容规范、格式统一的目的。能避免因人而异产生设计漏项。另外，设计人员可以遵循模板条款更换文件内容，改手工书写为在模板上编辑文档，使设计文件标准而规范。2.2 设计导航 产品设计模板之间即相互独立又相互关联，每一模板独立完成产品的一个中心设计任务，同时也为下一步设计提供产品数据。任务间存在逻辑先后次序，设计导航正是利用设计规则，分析关键步骤之间的信息传递，将设计规范和建模规范作为约束条件约束数字化定义步骤的先后顺序，将模板串接起来，逐步引导设计人员完成设计任务。某机型机翼在概念设计阶段的设计模板如图 3 所示。机翼 1 机翼 2 机翼 n 知识提取 方案构思 初始 实例 模板实例 合理性分析 模板不合理 10 设计与研究 机械 2007 年第 5 期 总第 34 卷 每进行一步就与实例库中实例进行对照。通过实例浏览和实例分析，寻找与问题实例最相似的一个或多个实例，参考搜索到的实例参数并进行适当的调整作为问题实例的设计参考。概念设计概念设计概念设计概念设计说明1.依次点击左侧“功能分解”、“约束信息”和“设计参数”进行概念设计；2.双击某一型号或选择其一并单击“参数浏览”即可查看。功能分解约束信息设计参数实例浏览实例分析退出参数浏览参数调整 1 XXX-0101 2 XXX-0141 3 XXX-1107 4 XXX-1134序 号型号版 本 图 3 机翼概念设计模板 图 4 展现了“设计参数”的具体设计模板。该模板确定了机翼的七个主要设计参数，这些参数不仅受图 3 中“约束信息”模板中具体信息的约束，还受展弦比、前缘后掠角、根稍比和其他参数对气动特性的影响。飞机机翼外形特点与飞机气动特性有非常紧密的联系，为了达到气动要求，这些参数要受气动特性和其他特性的验证。如图 4 所示，如果这些参数不影响飞机设计对气动特性的要求，则参数设计完毕，转入其他设计模板；否则要对这些参数进行适当调整，直到满足约束条件。设计参数设计参数设计参数设计参数参数校验展弦比对气动特性的影响根梢比对气动特性的影响前缘后掠角对气动特性的影响其他参数对气动特性的影响退 出退 出机翼参考面积：机翼展长：翼根弦长：翼尖弦长：前缘后掠角：扭转角：机翼展弦比：提交提交提 交 成 功，请 校验，确保提交的参数实际可行！提 交 成 功，请 校验，确保提交的参数实际可行！XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 图 4 翼外形参数设计模板 3 结束语 产品过程资源核心知识模型是航空产品进行数字化设计的基础，本文用框架的表示方法对该模型的信息进行了描述，将数字化建模规范和各种约束条件融入到设计模板，并用设计导航将模板有机地串接起来。这种数字化设计方法能引导设计人员较快速地完成设计任务，并使所作设计标准而规范，该方案在实际中有了初步应用，效果良好。参考文献：1吴丹，王先逵，魏志强.飞机产品数字化定义技术J.航空产品数字化设计与制造，2001，（4）：2125.2徐燕申，徐千理，侯亮.基于 CBR 的机械产品模块化设计方法的研究J.机械科学与技术，2002，21（5）：833835（上接第 3 页）虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（Soft Prototype）代替传统的硬样品（Hard Prototype）进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。3 结论 在诸多先进制造技术中信息将成为制造业的决定因素，用信息集成技术促进未来制造业的改造已成为时代潮流。信息集成是先进制造的一个长期战略目标，其内容和程度可以根据企业需求不断改变和提高。信息集成的难点在于根据市场需求，对企业应用软件提供的功能进行业务流程编排，在任意水平上实现集成。本文的目的是对先进制造技术的应用及发展趋势做了基本的介绍，使今后深入研究建立在一个正确认识的基础。参考文献：1杨叔子，吴波，程涛网络经济时代的制造企业策略C.技术科学发展与展望院士论技术科学济南：山东教育出版社，2002：391398.2宋健制造业与现代化J机械工程学报，2002，38（12）.