基于CATIA的復合材料構件設計知識庫系統
由于復合材料具有比強度、比剛度高，耐腐蝕、耐疲勞性能好，可設計性強等一系列獨特的優點，在各種裝備的輕量化、小型化和高性能化上起到了無可替代的作用，使之成為飛機、導彈、火箭、人造飛船等結構上不可或缺的戰略材料和技術。
知識庫是知識工程中結構化、易操作、易利用、全面有組織的知識集群，將知識庫技術應用于復合材料構件設計領域可以有效地實現輔助設計人員進行輔助選材、飛機構件的鋪層設計和典型構件設計等工作，從而大大地提高設計效率，簡化設計流程，使設計工作的自動化水平有了顯著的提高。
由于飛機復合材料設計過程中設計經驗的數量、種類十分巨大，所以針對復合材料典型構件設計中的經驗知識加以總結，與三維設計軟件CATIA相結合，開發了復合材料構件的設計知識庫系統。
復合材料構件設計知識庫系統總體結構
復合材料構件設計知識庫系統包括設計實例庫、鋪層設計規則庫和計算機輔助選材3個子系統，各子系統都由兩大部分組成：知識庫使用和知識庫維護。復合材料構件設計知識庫系統的結構如圖1所示。其中數據庫服務器負責復合材料構件設計知識數據的存儲；應用層是客戶端與數據庫服務器之間的層，是基于組件的層；用戶層在客戶端運行，集成于CATIA界面中，向用戶提供了交互式的界面，包括設計要求、產品工程參數的輸入、零件參數交互式修改、結果輸出和系統操作過程的提示等。
復合材料構件設計實例庫
復合材料典型構件設計實例庫系統構架如圖2所示，實例庫存放的服務器端包含數據庫服務器和文件系統服務器，分別存放結構化的參數數據和文件格式的圖形、圖標文件。
1 實例庫所包含的實例
復合材料構件設計實例庫包含兩大類實例，一類是國內外成功的大型復合材料部件設計實例，這些部件包括固定翼飛機的復合材料機翼、復合材料安定面、復合材料操縱面、復合材料機身等，以及直升機中的復合材料機身結構等，該類實例主要通過資料收集和航空企業自身研制的部件實例獲得，該類實例可對設計人員進行方案設計起參考作用；另一類是航空企業自行開發的復合材料典型構件設計實例，這些典型構件包括：槽型梁、Z型梁、工字梁、Ω梁等，基于該類實例，設計人員可以采用基于實例的推理進行新的設計。
2 設計實例的描述
當設計一個構件時，先要知道構件的一些設計要求，如構件類型、使用環境、載荷狀況、性能要求等，然后才能針對該構件的設計要求構建構件的三維實體模型和鋪層設計方案。復合材料典型構件設計實例可表示為“實例編號＋問題描述＋解決方案＋綜合評價”的形式，其中實例編號是唯一確定一個實例的標識符，可由實例庫管理員給出或由系統自動產生；大型部件設計實例和典型構件設計實例問題描述部分及解決方案部分的內容如表1和表2所示；綜合評價部分是對解決方案的評述，說明其設計效果如何。
3 基于實例的推理與檢索
基于實例推理通過訪問知識庫中過去同類問題求解過程與結果,從而獲得當前問題解決的一種推理模式。實例的檢索與匹配是實現實例推理的關鍵，根據典型構件的特征信息檢索相應的實例，通過相似度計算判斷構件是否相似，從而檢索出相似性高的設計實例，基于實例推理的復合材料構件設計的流程如圖3所示。
按照基于實例的推理流程，從實例庫中檢索與當前問題相似的實例，并對其調用。調用過程通過在客戶端硬盤開辟一個圖形緩沖區來實現，默認狀態下系統從緩沖區中調用實體圖形文件（.CATPart文件）和圖標（示意圖.bmp文件），如果在調用時遍歷圖形緩沖區找不到所需的文件，再從服務器數據庫中下載該文件到緩沖區，再從緩沖區調用。
4 實例的維護
實例的維護包括實例入庫、實例修改和實例刪除功能，將實例按照一定的方式組織起來，存入實例庫中，這個過程叫實例的入庫。歸納實例的問題屬性和結果屬性，存入實例的數據庫表和文件系統中，在進行實例的入庫之前，要計算新實例與庫中已有實例的相似度，相似度低于0.9時，當作新實例進行入庫，否則不進行該實例的入庫。對于實例的修改，三維模型采用參數化設計來實現，設計人員在圖形模板文件的基礎上，通過修改構件的關鍵參數，自動生成新的三維實體模型，實例的修改采用基于CATIA進行二次開發實現修改。
復合材料構件鋪層設計規則庫
復合材料構件鋪層設計規則庫由兩大部分組成：知識庫使用和知識庫維護。知識工程師從設計專家處獲得知識，利用維護工具構建知識庫并負責維護知識庫，即將新的知識添加到知識庫中，將不正確的知識修改或刪除；設計人員在知識庫使用環境中利用系統界面指導設計工作。設計規則庫包括信息的輸入、輸出、推理機、知識庫的構建和維護、綜合數據庫等。
1 規則庫的實現
一般地，產生式規則表示多對一的形式,即一條規則由多個條件和一個結論構成。本文所用的產生式規則是多對多，即一條規則由多個條件和多個結論構成。
用關系數據庫技術表示出的產生式規則庫,必須保持規則庫原來所具有的特點,即知識表達清晰、邏輯性強、便于邏輯推理和管理維護。
具體的實現方法如下：先定義規則元素(rule-element)，規則元素是產生式規則的基本構成元素,不可再分,它們具有相同、固定、單一的結構特點,按照特定關系組合后,組成一條產生式規則。
2 基于規則的推理機制
規則庫部分采用基于規則的正向推理過程。正向推理又稱數據驅動控制策略或前件推理。其基本思想是：從問題已有事實（初始證據）出發，正向使用規則，當規則的條件部分與已有的事實相互匹配時，就把該規則作為可用規則放入候選規則隊列中，然后通過沖突消解，在候選隊列中選擇一條規則作為啟用規則進行推理，并將其結論放入數據庫中，作為下一步推理時的證據。如此反復這個過程，直到再無可用規則可以被選用或者求得了所要求的解為止。
3 典型構件設計知識庫知識表示和規則
該知識庫的輸入變量為復合材料零件的受力狀況以及對零件使用性能的要求，根據所輸入的變量值給出滿足要求的設計方案。
以幾種復合材料典型構件設計為例，描述復合材料構件設計知識庫中知識的表示方法如下。
（1）層合板設計。
?描述：給出受力狀況，如何進行鋪層設計達到好效果。
?輸入條件：載荷等。
?輸出：材料類型、鋪層數、鋪設方向、鋪層順序等。
?規則：某些公式類或約束性知識。
（2）夾層結構設計。
?描述：給出受力狀況、穩定性、剛度等要求，如何進行面板和夾芯設計達到好效果。
?輸入條件：載荷、穩定性、剛度等。
?輸出：材料類型、鋪層數、鋪設方向、鋪層順序、夾芯形狀、夾芯材料、夾芯厚度、夾芯密度等。
?規則：某些公式類或約束性知識。
（3）加筋板設計。
?描述：給出受力狀況、穩定性等要求，如何進行加筋板設計達到好效果。
?輸入條件：載荷、穩定性等。
?輸出：筋的類型、筋的布置等。
?規則：某些公式類或約束性知識。
在復合材料構件設計知識庫系統中，知識等同于規則，規則將以“IF…THEN…”的形式進行描述，以“樹”的拓撲結構存儲在知識庫中。
復合材料構件設計選材庫
選材庫實際上是一個分類存儲的數據庫，儲存的數據是實際生產常用的各種增強纖維和樹脂材料的特性資料，是按照標準來選擇并組織的。
選材庫的功能主要是根據輸入的復合材料零件使用環境以及對零件使用性能的要求，查詢增強纖維材料庫和樹脂材料庫，選擇符合要求的增強纖維和樹脂，并驗證所選材料與零件結構形式是否匹配。設計過程中用到的材料主要來源于已經成文的復合材料選材手冊和有經驗的設計者的經驗總結。舉例說明材料方案知識庫的輸入變量和取值范圍如表3所示。
根據上述變量的輸入值，材料方案知識庫將給出符合要求的纖維、樹脂和固化劑種類供設計人員選用。復合材料構件設計選材需考慮多個因素，并且除高使用溫度是嚴格的限制條件外，其他因素是設計人員根據民機或軍機對重量、成本、性能等的不同要求，綜合權衡、折衷、擇優選用的。
設計知識庫與CATIA的集成
1 知識庫與CATIA的數據交互和調用
復合材料構件設計知識庫軟件采用VB.NET和Oracle進行開發，同時VB.NET又支持CATIA的二次開發，從而實現了設計知識庫和CATIA軟件的集成?？梢允褂肅ATIA V5的“宏”操作實現在CATIA V5環境中通過工具欄直接調用VB編譯的可執行程序，利用“宏”在CATIA V5界面中添加指定的應用程序后，就如同CATIA V5調用了自身的功能一樣，例如為工具欄添加宏命令，可選定一個圖標拖到工具欄上，只要點擊該圖標即可成功啟動復合材料設計知識庫系統，并進入知識庫主界面。
CATIA V5開發功能是針對VB程序設計語言的，VB通過CATIA提供的對象可以訪問CATIA V5環境中所建實體的各種參數，包括各種尺寸、實體表面、實體邊界、實體特征等，甚至可以創建、復制、修改實體特征，在CATIA環境中能夠執行的操作，都可通過CATIA V5提供的API中的功能來實現。知識庫系統通過COM接口訪問CATIA提供的自動化對象，編寫VB程序調用其成員函數，實現參數驅動三維實體，另一方面通過ADO數據訪問接口，存儲和讀取三維實體的關鍵參數。
2 基于CATIA的實體參數化
在知識庫系統實例庫中重要的一個模塊就是基于CATIA的實體參數化，先建立標準件實體的母板，利用CATIA的Formula功能創建標準件的三維模型，它將作為標準件庫中該系列零件的母版，同類的零件（指結構相同、參數不同）可以利用參數驅動模型的原理自動生成，該知識庫系統所有能夠進行實體參數化的標準件母板都放在文件服務器中。
在實現參數化驅動階段之前必須確保零件族中所有相應變化的尺寸都已經在母板零件上標出。工字梁參數化界面如圖4所示
結束語
本文以選材和典型復合材料構件設計為入口，構建具有一定通用性的復合材料構件設計知識庫系統，可通過擴充知識庫的方式實現其他典型構件的設計。文章總結歸納了復合材料構件知識庫系統的設計思想，希望對促進先進復合材料新技術的研發和相關知識庫系統的設計和開發提供一定的參考。
知識庫是知識工程中結構化、易操作、易利用、全面有組織的知識集群，將知識庫技術應用于復合材料構件設計領域可以有效地實現輔助設計人員進行輔助選材、飛機構件的鋪層設計和典型構件設計等工作，從而大大地提高設計效率，簡化設計流程，使設計工作的自動化水平有了顯著的提高。
由于飛機復合材料設計過程中設計經驗的數量、種類十分巨大，所以針對復合材料典型構件設計中的經驗知識加以總結，與三維設計軟件CATIA相結合，開發了復合材料構件的設計知識庫系統。
復合材料構件設計知識庫系統總體結構
復合材料構件設計知識庫系統包括設計實例庫、鋪層設計規則庫和計算機輔助選材3個子系統，各子系統都由兩大部分組成：知識庫使用和知識庫維護。復合材料構件設計知識庫系統的結構如圖1所示。其中數據庫服務器負責復合材料構件設計知識數據的存儲；應用層是客戶端與數據庫服務器之間的層，是基于組件的層；用戶層在客戶端運行，集成于CATIA界面中，向用戶提供了交互式的界面，包括設計要求、產品工程參數的輸入、零件參數交互式修改、結果輸出和系統操作過程的提示等。
復合材料構件設計實例庫
復合材料典型構件設計實例庫系統構架如圖2所示，實例庫存放的服務器端包含數據庫服務器和文件系統服務器，分別存放結構化的參數數據和文件格式的圖形、圖標文件。
1 實例庫所包含的實例
復合材料構件設計實例庫包含兩大類實例，一類是國內外成功的大型復合材料部件設計實例，這些部件包括固定翼飛機的復合材料機翼、復合材料安定面、復合材料操縱面、復合材料機身等，以及直升機中的復合材料機身結構等，該類實例主要通過資料收集和航空企業自身研制的部件實例獲得，該類實例可對設計人員進行方案設計起參考作用；另一類是航空企業自行開發的復合材料典型構件設計實例，這些典型構件包括：槽型梁、Z型梁、工字梁、Ω梁等，基于該類實例，設計人員可以采用基于實例的推理進行新的設計。
2 設計實例的描述
當設計一個構件時，先要知道構件的一些設計要求，如構件類型、使用環境、載荷狀況、性能要求等，然后才能針對該構件的設計要求構建構件的三維實體模型和鋪層設計方案。復合材料典型構件設計實例可表示為“實例編號＋問題描述＋解決方案＋綜合評價”的形式，其中實例編號是唯一確定一個實例的標識符，可由實例庫管理員給出或由系統自動產生；大型部件設計實例和典型構件設計實例問題描述部分及解決方案部分的內容如表1和表2所示；綜合評價部分是對解決方案的評述，說明其設計效果如何。
3 基于實例的推理與檢索
基于實例推理通過訪問知識庫中過去同類問題求解過程與結果,從而獲得當前問題解決的一種推理模式。實例的檢索與匹配是實現實例推理的關鍵，根據典型構件的特征信息檢索相應的實例，通過相似度計算判斷構件是否相似，從而檢索出相似性高的設計實例，基于實例推理的復合材料構件設計的流程如圖3所示。
按照基于實例的推理流程，從實例庫中檢索與當前問題相似的實例，并對其調用。調用過程通過在客戶端硬盤開辟一個圖形緩沖區來實現，默認狀態下系統從緩沖區中調用實體圖形文件（.CATPart文件）和圖標（示意圖.bmp文件），如果在調用時遍歷圖形緩沖區找不到所需的文件，再從服務器數據庫中下載該文件到緩沖區，再從緩沖區調用。
4 實例的維護
實例的維護包括實例入庫、實例修改和實例刪除功能，將實例按照一定的方式組織起來，存入實例庫中，這個過程叫實例的入庫。歸納實例的問題屬性和結果屬性，存入實例的數據庫表和文件系統中，在進行實例的入庫之前，要計算新實例與庫中已有實例的相似度，相似度低于0.9時，當作新實例進行入庫，否則不進行該實例的入庫。對于實例的修改，三維模型采用參數化設計來實現，設計人員在圖形模板文件的基礎上，通過修改構件的關鍵參數，自動生成新的三維實體模型，實例的修改采用基于CATIA進行二次開發實現修改。
復合材料構件鋪層設計規則庫
復合材料構件鋪層設計規則庫由兩大部分組成：知識庫使用和知識庫維護。知識工程師從設計專家處獲得知識，利用維護工具構建知識庫并負責維護知識庫，即將新的知識添加到知識庫中，將不正確的知識修改或刪除；設計人員在知識庫使用環境中利用系統界面指導設計工作。設計規則庫包括信息的輸入、輸出、推理機、知識庫的構建和維護、綜合數據庫等。
1 規則庫的實現
一般地，產生式規則表示多對一的形式,即一條規則由多個條件和一個結論構成。本文所用的產生式規則是多對多，即一條規則由多個條件和多個結論構成。
用關系數據庫技術表示出的產生式規則庫,必須保持規則庫原來所具有的特點,即知識表達清晰、邏輯性強、便于邏輯推理和管理維護。
具體的實現方法如下：先定義規則元素(rule-element)，規則元素是產生式規則的基本構成元素,不可再分,它們具有相同、固定、單一的結構特點,按照特定關系組合后,組成一條產生式規則。
2 基于規則的推理機制
規則庫部分采用基于規則的正向推理過程。正向推理又稱數據驅動控制策略或前件推理。其基本思想是：從問題已有事實（初始證據）出發，正向使用規則，當規則的條件部分與已有的事實相互匹配時，就把該規則作為可用規則放入候選規則隊列中，然后通過沖突消解，在候選隊列中選擇一條規則作為啟用規則進行推理，并將其結論放入數據庫中，作為下一步推理時的證據。如此反復這個過程，直到再無可用規則可以被選用或者求得了所要求的解為止。
3 典型構件設計知識庫知識表示和規則
該知識庫的輸入變量為復合材料零件的受力狀況以及對零件使用性能的要求，根據所輸入的變量值給出滿足要求的設計方案。
以幾種復合材料典型構件設計為例，描述復合材料構件設計知識庫中知識的表示方法如下。
（1）層合板設計。
?描述：給出受力狀況，如何進行鋪層設計達到好效果。
?輸入條件：載荷等。
?輸出：材料類型、鋪層數、鋪設方向、鋪層順序等。
?規則：某些公式類或約束性知識。
（2）夾層結構設計。
?描述：給出受力狀況、穩定性、剛度等要求，如何進行面板和夾芯設計達到好效果。
?輸入條件：載荷、穩定性、剛度等。
?輸出：材料類型、鋪層數、鋪設方向、鋪層順序、夾芯形狀、夾芯材料、夾芯厚度、夾芯密度等。
?規則：某些公式類或約束性知識。
（3）加筋板設計。
?描述：給出受力狀況、穩定性等要求，如何進行加筋板設計達到好效果。
?輸入條件：載荷、穩定性等。
?輸出：筋的類型、筋的布置等。
?規則：某些公式類或約束性知識。
在復合材料構件設計知識庫系統中，知識等同于規則，規則將以“IF…THEN…”的形式進行描述，以“樹”的拓撲結構存儲在知識庫中。
復合材料構件設計選材庫
選材庫實際上是一個分類存儲的數據庫，儲存的數據是實際生產常用的各種增強纖維和樹脂材料的特性資料，是按照標準來選擇并組織的。
選材庫的功能主要是根據輸入的復合材料零件使用環境以及對零件使用性能的要求，查詢增強纖維材料庫和樹脂材料庫，選擇符合要求的增強纖維和樹脂，并驗證所選材料與零件結構形式是否匹配。設計過程中用到的材料主要來源于已經成文的復合材料選材手冊和有經驗的設計者的經驗總結。舉例說明材料方案知識庫的輸入變量和取值范圍如表3所示。
根據上述變量的輸入值，材料方案知識庫將給出符合要求的纖維、樹脂和固化劑種類供設計人員選用。復合材料構件設計選材需考慮多個因素，并且除高使用溫度是嚴格的限制條件外，其他因素是設計人員根據民機或軍機對重量、成本、性能等的不同要求，綜合權衡、折衷、擇優選用的。
設計知識庫與CATIA的集成
1 知識庫與CATIA的數據交互和調用
復合材料構件設計知識庫軟件采用VB.NET和Oracle進行開發，同時VB.NET又支持CATIA的二次開發，從而實現了設計知識庫和CATIA軟件的集成?？梢允褂肅ATIA V5的“宏”操作實現在CATIA V5環境中通過工具欄直接調用VB編譯的可執行程序，利用“宏”在CATIA V5界面中添加指定的應用程序后，就如同CATIA V5調用了自身的功能一樣，例如為工具欄添加宏命令，可選定一個圖標拖到工具欄上，只要點擊該圖標即可成功啟動復合材料設計知識庫系統，并進入知識庫主界面。
CATIA V5開發功能是針對VB程序設計語言的，VB通過CATIA提供的對象可以訪問CATIA V5環境中所建實體的各種參數，包括各種尺寸、實體表面、實體邊界、實體特征等，甚至可以創建、復制、修改實體特征，在CATIA環境中能夠執行的操作，都可通過CATIA V5提供的API中的功能來實現。知識庫系統通過COM接口訪問CATIA提供的自動化對象，編寫VB程序調用其成員函數，實現參數驅動三維實體，另一方面通過ADO數據訪問接口，存儲和讀取三維實體的關鍵參數。
2 基于CATIA的實體參數化
在知識庫系統實例庫中重要的一個模塊就是基于CATIA的實體參數化，先建立標準件實體的母板，利用CATIA的Formula功能創建標準件的三維模型，它將作為標準件庫中該系列零件的母版，同類的零件（指結構相同、參數不同）可以利用參數驅動模型的原理自動生成，該知識庫系統所有能夠進行實體參數化的標準件母板都放在文件服務器中。
在實現參數化驅動階段之前必須確保零件族中所有相應變化的尺寸都已經在母板零件上標出。工字梁參數化界面如圖4所示
結束語
本文以選材和典型復合材料構件設計為入口，構建具有一定通用性的復合材料構件設計知識庫系統，可通過擴充知識庫的方式實現其他典型構件的設計。文章總結歸納了復合材料構件知識庫系統的設計思想，希望對促進先進復合材料新技術的研發和相關知識庫系統的設計和開發提供一定的參考。
