飛機設(shè)計選材專家系統(tǒng)的開發(fā)

藍(lán)元沛 焦起祥 關(guān)志東

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

許廣興

(中航工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所結(jié)構(gòu)部材料應(yīng)用室,沈陽 110035)

飛機設(shè)計選材專家系統(tǒng)的開發(fā)

藍(lán)元沛 焦起祥 關(guān)志東

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

許廣興

(中航工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所結(jié)構(gòu)部材料應(yīng)用室,沈陽 110035)

在對飛機設(shè)計選材工作進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S,Browser/Service)結(jié)構(gòu)的飛機設(shè)計選材專家系統(tǒng)總體框架和系統(tǒng)各功能的實現(xiàn)方式,并開發(fā)了系統(tǒng)的原型.該系統(tǒng)將基于規(guī)則、案例和模型的選材方法結(jié)合在一起,通過一個通用的推理機實現(xiàn)推理.該推理機功能通過 CLIPS(C Language Integrated Production System)專家系統(tǒng)開發(fā)工具實現(xiàn).該系統(tǒng)主要有 3個工作步驟:選材的定性推理,材料檢索和材料綜合性能排序.用戶可以方便地使用瀏覽器對系統(tǒng)進(jìn)行訪問和操作.該系統(tǒng)飛機機翼大梁選材實例驗證了該系統(tǒng)的有效性,可對飛機設(shè)計人員的選材工作起指導(dǎo)作用.

飛機結(jié)構(gòu);飛機結(jié)構(gòu)材料;專家系統(tǒng)

工程結(jié)構(gòu)的性能最終要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)所選用材料的性能上.近十幾年來,機械設(shè)計的材料/工藝選擇計算機輔助方法逐漸成為研究熱點.隨著研究的深入,根據(jù)這些方法開發(fā)的材料/工藝選擇工具也由原先的演示性工具逐漸演變?yōu)闈M足設(shè)計人員需求的材料/工藝選擇系統(tǒng)[1].這些選材方法主要包括:①基于專家系統(tǒng)理論的選材方法,有基于案例推理[2]、基于知識(規(guī)則)的選材系統(tǒng)[3]以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的選材方法[4].這類選材方法建立在專家經(jīng)驗和以往成功選材案例的基礎(chǔ)上,是定性的選材方法,往往有多個選材結(jié)果[5];②基于多準(zhǔn)則決策(MCDM,Multiple Criteria Decision Making)理論的選材方法,主要有簡單加權(quán)法[6-9]、TOPSIS法[10-12]、ELECTRE法[12-14]、VIKOR方法[14]、圖論法[15]、基于層次分析法的綜合選材方法[16-17]以及 Ashby法[18-20]等 .其中,文獻(xiàn)[12,14]采用了兩種或以上的 MCDM方法,通過對比不同方法得到的材料綜合性能排序,確定最終選擇材料.這類方法通過建立備選材料集,確定材料性能的評價屬性和對應(yīng)權(quán)重,對材料的綜合性能進(jìn)行排序得到最優(yōu)的、唯一的材料,屬于定量的選材方法.由于目前可選材料數(shù)量眾多,且選材時考慮的因素較復(fù)雜,為了提高選材的效率和準(zhǔn)確性,這類方法的應(yīng)用還往往需要參考專家經(jīng)驗和選材案例等信息.文獻(xiàn)[5]對近 20年來的選材方法進(jìn)行了比較全面地概述.

材料工作是飛機研制和生產(chǎn)工作的基礎(chǔ),飛機結(jié)構(gòu)所用材料的性能,在很大程度上影響所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能否滿足飛機的戰(zhàn)術(shù)-技術(shù)(使用-技術(shù))要求.飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的選材工作,是多次綜合、權(quán)衡、折衷的過程.在進(jìn)行飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計選材時,設(shè)計人員需要考慮材料的各種性能,而這些性能往往是矛盾的[21].國內(nèi)飛機設(shè)計人員往往是憑積累的經(jīng)驗進(jìn)行選材,還沒有嚴(yán)格統(tǒng)一的方法可供使用,缺乏理論依據(jù)和可操作性,工作效率也不高.此外,設(shè)計人員的經(jīng)驗通常都是存在于人的頭腦中,沒有以固化的形式保存,不能做到企業(yè)級設(shè)計知識的積累與共享[22].

本文首先對飛機設(shè)計選材工作進(jìn)行系統(tǒng)分析;在此基礎(chǔ)上,提出適應(yīng)于當(dāng)前我國國內(nèi)飛機數(shù)字化設(shè)計環(huán)境下選材專家系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方式,并建立了飛機設(shè)計選材專家系統(tǒng)的原型.由于金屬材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計與復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計有許多本質(zhì)的區(qū)別[21],本文只討論飛機金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計的選材問題.

1 飛機設(shè)計選材工作分析

1.1 選材工作概述

新飛機的研制可分成 5個階段:論證階段、方案階段、工程研制階段、設(shè)計定型階段、生產(chǎn)定型階段.對于飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計來說,在方案階段,飛機設(shè)計人員在完成全機主承力結(jié)構(gòu)布置后,要根據(jù)結(jié)構(gòu)選材要點,完成飛機主承力結(jié)構(gòu)選材;在工程研制階段,飛機設(shè)計人員根據(jù)方案階段確定的飛機總體技術(shù)方案進(jìn)行飛機各部件結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計,完成所有結(jié)構(gòu)件的選材參考[23].總的來說,飛機設(shè)計的選材工作屬于飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的范疇.

飛機設(shè)計的過程是將新研制飛機的戰(zhàn)術(shù)-技術(shù)(使用-技術(shù))需求轉(zhuǎn)化為該飛機如何制造的具體信息的過程.飛機結(jié)構(gòu)件功能的實現(xiàn)最終體現(xiàn)在它們所用材料的性能上.在對飛機結(jié)構(gòu)進(jìn)行選材時,不僅需要確定材料種類、品種和牌號,而且需確定所選材料的加工和熱處理工藝,即對材料和工藝進(jìn)行選擇.本文所提的材料選擇(選材),均指對材料和工藝的選擇.

選材工作作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中的一個方面,需要盡可能地滿足設(shè)計需求,極大地發(fā)揮材料的性能,還要使得成本最小化[21].

1.2 選材的流程

選材的過程是一個材料搜索空間不斷縮小、逐步逼近最終結(jié)果的過程.

在飛機研制的方案階段,綜合考慮飛機的布局形式、總體設(shè)計參數(shù)和各主要系統(tǒng)方案,可以確定機體結(jié)構(gòu)特別是主要受力構(gòu)件復(fù)合材料以及其他先進(jìn)材料的應(yīng)用水平,從而確定主承力構(gòu)件的大致種類(金屬材料或復(fù)合材料)[23].

在飛機研制的詳細(xì)階段,選材的步驟可大致分為以下 3步:

1)將結(jié)構(gòu)設(shè)計要求轉(zhuǎn)化為對材料性能的具體屬性要求[1].根據(jù)結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)條件,以及使用環(huán)境、幾何形狀、載荷水平等設(shè)計條件,確定可選的材料種類(鋁、鈦、鋼等)、品種 (鍛材、板材、型材等)、規(guī)格、靜強度等[24].如果該結(jié)構(gòu)件是斷裂關(guān)鍵件,還要求所選用材料具有高的抗疲勞、抗裂紋擴展能力.這個過程需要設(shè)計人員按照飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中常用的設(shè)計規(guī)范和方法,根據(jù)結(jié)構(gòu)件所受外載荷確定所選用材料的力學(xué)性能要求.

為了得到好的結(jié)構(gòu)設(shè)計,設(shè)計人員需要對飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計有充分的認(rèn)識,具有較高的設(shè)計水平和豐富的設(shè)計經(jīng)驗(包括選材經(jīng)驗),這就需要設(shè)計人員學(xué)習(xí)和掌握飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計及選材知識,繼承以往飛機結(jié)構(gòu)選材的經(jīng)驗積累,借鑒國內(nèi)外同類機型的成功選材案例.

2)依據(jù)第 1)步所掌握的材料性能要求,在選材目錄(材料性能數(shù)據(jù)庫或材料手冊)中進(jìn)行檢索,得到滿足設(shè)計要求的若干種備選材料.

3)滿足設(shè)計要求的材料往往不止一種,因而需要對這些材料進(jìn)行綜合性能的優(yōu)劣排序,得到唯一的、最優(yōu)的材料.

具體來講,需要以結(jié)構(gòu)輕質(zhì)為目標(biāo),綜合考慮材料各種性能要求及經(jīng)濟(jì)性的要求,對備選材料進(jìn)行性能的綜合評判.需要注意的是,不同環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)件以及采用不同要求設(shè)計的零件,對材料的各項性能要求的側(cè)重程度也不同,得視具體情況分析.

1.3 選材時應(yīng)考慮的因素

文獻(xiàn)[1]對影響選材的因素進(jìn)行了系統(tǒng)地分析,指出結(jié)構(gòu)件所采用的材料、工藝與結(jié)構(gòu)件的功能(在特定環(huán)境下承受特定的載荷)和幾何尺寸是相互影響的.結(jié)構(gòu)件的功能決定了結(jié)構(gòu)件的材料和形狀,而材料的可成形性、機加性能和可焊性等影響著結(jié)構(gòu)件的加工工藝.此外,加工工藝與結(jié)構(gòu)件的形狀之間會相互影響——加工工藝決定性能、尺寸、精度以及成本,主要表現(xiàn)為:構(gòu)件的形狀規(guī)格限定材料及工藝的選擇.同樣,加工工藝也會限制所用的材料及結(jié)構(gòu)件的幾何形狀和尺寸.

以下是具體分析[21]:

1)結(jié)構(gòu)的受載情況對材料性能的要求.飛機結(jié)構(gòu)必須保證在所受外載下有足夠的強度、剛度、壽命和高可靠性,因此首先必須確定結(jié)構(gòu)的受載情況.根據(jù)結(jié)構(gòu)受載對結(jié)構(gòu)提出受力特性的要求,進(jìn)而對選用材料提出具體的性能指標(biāo)要求.

2)結(jié)構(gòu)的使用條件對選材的影響.結(jié)構(gòu)的使用條件包括環(huán)境條件、飛機著陸條件、維修條件和使用條件等.不同的環(huán)境條件會對結(jié)構(gòu)件所選用的材料提出不同的抗腐蝕性能要求.著陸場所、條件的不同會使結(jié)構(gòu)受載和對起落裝置的要求不同.而不同類型的飛機、同一類型但性能不同的飛機,其使用條件和維修條件均會有所不同,從而對材料的損傷容限及耐久性設(shè)計要求也不同.

3)工廠生產(chǎn)條件對選材的影響.結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)條件主要指飛機的產(chǎn)量和工程的加工與裝配能力.產(chǎn)量不同在選擇結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工藝方案時會有所不同.例如只生產(chǎn)幾件結(jié)構(gòu)件時,一般不宜采用模鍛件和精密鑄造件;當(dāng)大量生產(chǎn)時,就可考慮采用模鍛、精密鑄造等適合大量生產(chǎn)的工藝方案.

加工能力是指飛機制造工廠所具有的設(shè)備、工藝員和工人的技術(shù)水平與加工經(jīng)驗,以及采用新材料新工藝的可能性.飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計人員應(yīng)對生產(chǎn)廠的情況很熟悉,這樣才能設(shè)計出具有良好工藝性的結(jié)構(gòu).

4)飛機結(jié)構(gòu)件幾何形狀對選材的影響.飛機結(jié)構(gòu)的形狀通常并不刻意任意選定.在總體設(shè)計階段,一般已確定了各部件的外形、相對位置以及相互間連接交點的位置.因此,設(shè)計人員在進(jìn)行選材時,根據(jù)經(jīng)驗判斷或參照以往設(shè)計實例,可以獲得結(jié)構(gòu)件的幾何形狀信息.

5)相鄰結(jié)構(gòu)件對選材的影響.如:鈦合金電位與鋁合金以及鋼電位差別較大,選材時要考慮防電位腐蝕問題[23].

1.4 小 結(jié)

從以上分析可以得出,飛機設(shè)計人員在確定若干種備選材料后,從這幾種備選材料中選出一種最優(yōu)材料,這個過程可以看作是一個結(jié)構(gòu)化決策的過程,屬于典型的 MCDM問題,飛機設(shè)計人員可以利用 MCDM理論的方法對選材過程進(jìn)行建模,根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求和特點,結(jié)合以往選材的經(jīng)驗,選出最合適的材料.

對于飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計人員,特別是對一個經(jīng)驗尚缺的設(shè)計人員來說,選定若干種材料作為備選材料并不是一件容易的事情,因為一般的“航空材料選用目錄”會包含近 2 000個牌號材料的基本選用信息[25].要將這 2000種不同牌號、品種、規(guī)格的材料作為備選材料費時又費力.可以通過參考專家的設(shè)計經(jīng)驗、以往成功的案例,將不滿足設(shè)計要求的材料排除掉,使得備選材料的數(shù)目減小到易于決策(選擇)的程度.這一步屬于非程序化的決策,可以通過專家系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn).

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

并行工程和數(shù)字化設(shè)計/制造是航空工業(yè)技術(shù)的發(fā)展趨勢.飛機設(shè)計選材專家系統(tǒng)需要與飛機數(shù)字化設(shè)計和制造平臺密切協(xié)同,實現(xiàn)選材工作和設(shè)計/制造的并行與協(xié)調(diào),滿足異地設(shè)計與異構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)無縫聯(lián)結(jié)的要求.

在本文第 1節(jié)選材工作分析的基礎(chǔ)上,針對我國國內(nèi)主要飛機設(shè)計院所軟硬件環(huán)境特點,提出基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S,Browser/Service)結(jié)構(gòu)的飛機設(shè)計選材專家系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu),如圖 1所示.

圖1 飛機設(shè)計選材專家系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

基于 B/S的應(yīng)用系統(tǒng),數(shù)據(jù)及應(yīng)用可通過不同平臺、不同網(wǎng)絡(luò)存取,具有易用性好、易于維護(hù)、信息共享度高、擴展性好等優(yōu)點[26].設(shè)計人員和材料管理人員只需要通過局域網(wǎng)客戶端的 IE瀏覽器便可以方便地使用本系統(tǒng).

3 系統(tǒng)的構(gòu)造與實現(xiàn)

3.1 知識的獲取

目前并不存在系統(tǒng)的飛機設(shè)計選材知識.本系統(tǒng)知識的獲取,除了采取與專家交談外,還通過查閱材料學(xué)和飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)書籍和文獻(xiàn)資料等途徑.

搜集國內(nèi)外已有機種選材案例也是一個重要的手段.系統(tǒng)開發(fā)人員從飛機設(shè)計院所的結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度計算報告中摘取與選材有關(guān)的信息,加入選材案例庫,并通過案例分析與會談相結(jié)合的方式歸納飛機設(shè)計選材知識.

3.2 知識的表示

針對飛機選材知識以及知識來源的特點,本系統(tǒng)采用基于規(guī)則和基于案例的知識表達(dá)方式,綜合二者的優(yōu)點[27]:①提供一種自然的解決方法:先檢查已知選材案例,再進(jìn)行基于規(guī)則的推理;②知識庫的選材知識和案例庫的選材案例可以相互檢驗,以保證知識庫、案例庫內(nèi)容以及選材結(jié)果的質(zhì)量;③基于規(guī)則得到的推理結(jié)果記錄可作為選材案例庫案例,通過保存合適的選材案例,推理程序可以避免重復(fù)代價很高的搜索.

基于規(guī)則的知識表達(dá)方式[28]模擬人類大腦記憶模式中知識之間大量存在的因果關(guān)系,以“IF…THEN…”的產(chǎn)生式規(guī)則的形式表達(dá)知識,即 P→Q.其中,P表示條件,Q表示結(jié)論.其含義是:“如果條件 P被滿足,則可推出結(jié)論 Q”.

基于案例的知識表達(dá)方式難點是如何確定用來索引和檢索案例的突出特征[27].由于飛機設(shè)計選材涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度計算兩個方面的工作,且結(jié)構(gòu)件所用材料與其在特定環(huán)境下承受特定的載荷和幾何尺寸有密切關(guān)系.因此,本系統(tǒng)選材案例庫的開發(fā),用下列關(guān)鍵詞描述選材案例:①結(jié)構(gòu)件基本特征信息:結(jié)構(gòu)件名稱,所屬型號、選用材料;②結(jié)構(gòu)設(shè)計的考慮因素:基本承載情況分析,幾何特征描述,設(shè)計圖及其分析,強度計算結(jié)果,材料許用應(yīng)力,危險剖面位置;③強度分析信息:載荷描述,受力圖及其分析,強度計算結(jié)果,材料許用應(yīng)力,危險剖面位置.

3.3 推理機和解釋機制

作為本系統(tǒng)的核心,推理機的功能是協(xié)調(diào)知識庫、模型庫和案例庫的關(guān)系.具體為:①通過設(shè)計人員給定的設(shè)計條件,推理機加載知識庫,通過從設(shè)計人員得到的事實,匹配相關(guān)的規(guī)則,將中間結(jié)果寫入“黑板”;②需要建立分析模型時,推理機調(diào)用相關(guān)的計算模型庫模型進(jìn)行初步分析,并將分析結(jié)果返回“黑板”;③需要協(xié)調(diào)案例知識時,可以調(diào)用相關(guān)的案例知識,存于“黑板”中,供推理機使用.

為了能夠提高選材結(jié)果的可信程度,本系統(tǒng)通過顯示系統(tǒng)問題求解過程的推理路徑和知識庫中知識的運用狀況對推理過程進(jìn)行解釋,解釋推理機是怎樣求解問題并得出結(jié)論的.推理路徑以表格和圖形兩種方式顯示,便于用戶理解.

本系統(tǒng)的推理機和解釋機制功能通過 CLIPS(C Language Integrated Production System)專家系統(tǒng)開發(fā)工具實現(xiàn).CLIPS是美國航空航天局于1985年推出的一種專家系統(tǒng)開發(fā)工具,具有產(chǎn)生式系統(tǒng)的使用特征和 C語言的基本語言成分[28].

為了使推理機適應(yīng) B/S軟件架構(gòu)要求,本系統(tǒng)開發(fā)了一個通用輸入/輸出(I/O,Input/Output)接口,以方便推理機與知識庫、案例庫及計算模型庫之間的交互.該 I/O接口功能采用 JavaScript技術(shù)易于實現(xiàn),其實現(xiàn)方式參見文獻(xiàn)[29-31].

3.4 知識庫和案例庫

知識庫的組織按飛機部位及結(jié)構(gòu)件的不同進(jìn)行分塊,在問題的求解過程中從相應(yīng)的子知識庫中選擇可用知識,便于基于規(guī)則和基于案例的推理的實現(xiàn),并可避免知識的冗余和可能出現(xiàn)的知識之間的相互沖突,保證選材知識的質(zhì)量.不同類型的選材知識以單一 CLIPS軟件文件的形式存儲在系統(tǒng)服務(wù)器中.

本文 3.2節(jié)涉及描述選材案例的關(guān)鍵詞信息形式,具體包括文字、數(shù)字、圖片、表格、曲線以及3D模型和強度分析的數(shù)據(jù)文件,數(shù)據(jù)庫技術(shù)很容易實現(xiàn)對這些信息的存儲.本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對案例庫進(jìn)行開發(fā).數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(如 SQL Server、ORACLE等)容易滿足對大量案例進(jìn)行管理的要求.數(shù)據(jù)庫技術(shù)對數(shù)據(jù)共享性好的優(yōu)點可以實現(xiàn)多種編程語言對數(shù)據(jù)的調(diào)用.

3.5 計算模型庫

選材的過程不僅包括定性推理,還包括數(shù)值計算.前者由推理機實現(xiàn),而后者則由計算模型庫的模型實現(xiàn).

目前,本系統(tǒng)計算模型庫包含的計算模型主要有:具有典型特征的戰(zhàn)斗機機身框和壁板、機翼梁(墻)和蒙皮的材料性能校核與材料屈服強度門檻值計算,受壓結(jié)構(gòu)選用材料的性能指標(biāo)計算,受交變載荷結(jié)構(gòu)件選用材料的性能要求計算,以及有損傷容限要求關(guān)鍵零件選用材料的性能指標(biāo)計算等.

上述計算模型主要摘自“××飛機強度計算報告”,可供設(shè)計人員選材及結(jié)構(gòu)件強度初步校核時使用.

計算模型庫還包括一個用以實現(xiàn)定量選材的材料綜合性能評判模型.該模型的實現(xiàn)采用的是MCDM理論中最為廣泛使用的簡單加權(quán)法.基于MCDM理論的飛機設(shè)計選材方法見文獻(xiàn)[32].

計算模型庫各個模型主要采用基于 Web和ASP.NET的封裝方式,計算模型均以*.DLL文件的方式實現(xiàn),便于模型的擴展和維護(hù).

3.6 客戶端、庫管理及通用輸入/輸出接口

用戶(設(shè)計人員)通過 IE瀏覽器可以方便地實現(xiàn)選材的相關(guān)功能;管理員(知識工程師)通過IE瀏覽器對知識庫、案例庫、計算模型庫進(jìn)行維護(hù),并可對材料數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽.

材料數(shù)據(jù)庫的介紹見文獻(xiàn)[33].

4 系統(tǒng)功能介紹

用戶打開 IE瀏覽器,在地址欄輸入地址即可進(jìn)入本系統(tǒng)進(jìn)行選材.本系統(tǒng)的主要功能有:

1)選材的定性推理.用戶通過推理機加載知識庫和案例庫進(jìn)行選材的定性推理.通過與推理機的交互輸入擬設(shè)計結(jié)構(gòu)件的受載情況、幾何形狀、使用環(huán)境和生產(chǎn)加工等初始條件,確定可選的材料種類、品種和規(guī)格,材料性能綜合評價指標(biāo)以及確定這些指標(biāo)對應(yīng)權(quán)重大小的原則等.必要時,推理機還調(diào)用計算模型,以便根據(jù)輸入的結(jié)構(gòu)件工作環(huán)境和受載情況確定所選材料的性能指標(biāo).

2)從材料數(shù)據(jù)庫檢索滿足定性推理條件和初始設(shè)計要求的材料,確定備選材料.用戶可以根據(jù)推理機的定性推理結(jié)果對材料數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,得到滿足前提條件的材料(或材料集).檢索的內(nèi)容包括:“材料相關(guān)信息檢索”,輸入擬選材料的類別和品種;“材料光滑拉伸力學(xué)性能檢索”,輸入結(jié)構(gòu)件使用環(huán)境下的設(shè)計應(yīng)力;若考慮材料的疲勞性能,還需輸入滿足結(jié)構(gòu)件使用環(huán)境、典型疲勞載荷的應(yīng)力比及應(yīng)力集中系數(shù)下最大疲勞應(yīng)力和疲勞載荷循環(huán)次數(shù)門檻值等檢索信息.滿足上述條件的檢索結(jié)果的交集為同時滿足材料類別、品種和靜力、疲勞性能要求的備選材料.

3)對備選材料綜合性能綜合評判,得到綜合性能最優(yōu)的、唯一的材料.若備選材料不止一種,則需調(diào)用計算模型庫中的材料綜合性能評判模型對備選材料的綜合性能進(jìn)行排序,得出性能最優(yōu)的材料.其中,材料綜合性能評判指標(biāo)由推理機推理得出,這些指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重根據(jù)推理機得出的確定權(quán)重原則由用戶根據(jù)實際設(shè)計要求確定.

5 應(yīng)用實例

下面以某型號戰(zhàn)斗機機翼大梁選材實例說明系統(tǒng)的有效性.

參照選材案例庫以往選材案例,初步確定該大梁的設(shè)計條件及典型工況為:翼梁結(jié)構(gòu)形式:整體梁式;使用載荷下結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力:250MPa;結(jié)構(gòu)安全系數(shù):1.5;最大疲勞應(yīng)力 σmax=150MPa;疲勞壽命周期門檻值:1.00×106周;應(yīng)力比 R=0.5;應(yīng)力集中系數(shù) Kt=1.0.

用戶加載選材知識庫文件,運行推理機,推理機開始提問,用戶回答推理機所提問題.以下是與推理機的交互信息:

結(jié)構(gòu)件所在部位是否是機翼(Yes/No)?

你的輸入數(shù)據(jù):Yes

結(jié)構(gòu)件是否是機翼主梁(Yes/No)?

你的輸入數(shù)據(jù):Yes

結(jié)構(gòu)件是否受疲勞載荷(Yes/No)?

你的輸入數(shù)據(jù):Yes

選擇結(jié)構(gòu)件所受靜載荷類型:1.受拉/壓載荷;2.受彎(輸入 1或 2).

你的輸入數(shù)據(jù):2

該結(jié)構(gòu)件是否是梁(Yes/No)?

你的輸入數(shù)據(jù):Yes

飛機飛行環(huán)境是否為潮濕空氣環(huán)境/海洋大氣環(huán)境/工業(yè)大氣環(huán)境(Yes/No)?

你的輸入數(shù)據(jù):Yes

結(jié)構(gòu)件是否考慮材料的經(jīng)濟(jì)性(Yes/No)?

你的輸入數(shù)據(jù):Yes

推理結(jié)果輸出:

結(jié)構(gòu)件所在部位:機翼

結(jié)構(gòu)件名稱:機翼主梁

##確定材料種類及品種 ##

材料種類:鋼 /鋁 /鈦

材料品種:厚板 /鍛件

#需要考慮不同試驗環(huán)境下材料力學(xué)性能 #

試驗環(huán)境:腐蝕環(huán)境

是否考慮材料的光滑拉伸性能:是

是否考慮材料的疲勞性能:是

#材料綜合性能評價需要考慮的指標(biāo) #

靜強度指標(biāo):[σ b^(2/3)/ρ]

剛度指標(biāo):[E^(1/2)/ρ]

疲勞性能指標(biāo):疲勞載荷循環(huán)次數(shù) N 疲勞

抗腐蝕性能指標(biāo):[σ 0.2](成本型屬性)

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo):材料成本(成本型屬性)

用戶輸入以下檢索條件對材料數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索:材料類別:鋼 /鋁合金 /鈦合金;材料品種:鍛件 /厚板;靜力工作環(huán)境/溫度:空氣 /室溫;使用載荷下結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力:250MPa;結(jié)構(gòu)安全系數(shù):1.5;疲勞載荷工作環(huán)境 /溫度:鹽霧 /室溫;最大疲勞應(yīng)力 σmax=150MPa;疲勞壽命周期門檻值:1.00×106周;應(yīng)力比 R=0.5;應(yīng)力集中系數(shù) Kt=1.0

得到的檢索結(jié)果有:2D70鍛件、7B04-T6厚板、7B04-T74鍛件等 3種備選材料.

推理機調(diào)用材料綜合性能評判模型對上述 3種材料進(jìn)行性能的綜合評判,其中評判的指標(biāo)為:σb

2/3/ρ、E1/2/ρ、N疲勞、σ0.2和材料成本指標(biāo),取這些指標(biāo)的權(quán)重大小一致.

最終選材結(jié)果為:7B04-T74鍛件,該結(jié)果與實際選材結(jié)果相符.

6 結(jié)束語

1)在飛機數(shù)字化設(shè)計/制造技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢下,以往翻手冊、查文獻(xiàn)的飛機設(shè)計選材工作方式就顯得相對落后,這就需要轉(zhuǎn)變選材的工作方式,以實現(xiàn)飛機研制中選材工作的數(shù)字化協(xié)同,確保選材質(zhì)量,提高設(shè)計效率.

2)結(jié)合基于專家系統(tǒng)理論的選材方法和基于 MCDM理論的選材方法,以及基于規(guī)則和基于案例的選材知識表示方法,提出飛機設(shè)計選材專家系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu),并建立基于 B/S結(jié)構(gòu)的飛機設(shè)計選材專家系統(tǒng)原型.

3)專家系統(tǒng)原型的建立僅僅是系統(tǒng)應(yīng)用的開始,用戶還需要對選材知識庫進(jìn)行相當(dāng)長時間的運行檢驗,不斷對知識庫進(jìn)行改進(jìn).雖然本系統(tǒng)原型已應(yīng)用于飛機設(shè)計部門,但系統(tǒng)的建立僅僅是系統(tǒng)應(yīng)用的開始,用戶還需要對選材知識庫和案例庫進(jìn)行不斷完善,才能使本系統(tǒng)在飛機設(shè)計選材中發(fā)揮更大的作用.

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(編 輯 :李 晶)

Development of aircraft-design m aterial-selection expert system

Lan Yuanpei Jiao Qixiang Guan Zhidong

(Schoolof Aeronautic Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Xu Guangxing

(Material Application Office,Structure Department,AVICShenyang Aircraft Design Institute,Shenyang 110035,China)

Following a discussion on aircraft-design material-selection,a browser/service architecture framework ofmaterials selection expert system,together with its implementation and prototype,was put forward.The system integrated rule-based reasoning,case-based reasoning and model-based method,and it could reason with a general inference engine.The inference engine's function was implemented by a popular expert system development tool—C language integrated production system(CLIPS).When this system functioned,it worked in these three steps:reasoning for qualitative selection results,searching materials from material database and ranking the materials to obtain a selection result.User could access the system with browsers conveniently.Its effectiveness was demonstrated by a case of wing-spar materials-selection.

airframes;aircraft materials;expert system

V 25

A

1001-5965(2010)11-1358-07

2010-01-18

國防基礎(chǔ)科研項目(A 0520060798)

藍(lán)元沛(1982-),男(壯族),廣西博白人,博士生,lanyuanpei@ase.buaa.edu.cn.