復(fù)合材料結(jié)構(gòu)挖補修理知識庫系統(tǒng)

賀 強，楊文鋒，唐慶如

HE Qiang, YANG Wen-feng, TANG Qing-ru

（中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，廣漢 618307）

0 引言

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固有的高強度，耐疲勞和輕量化等特性，以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計、制造方法的日臻完善，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航空器上的應(yīng)用越來越廣泛。其用量已經(jīng)成為衡量航空器是否先進的標志。伴隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修也孕育而生，并朝著高效可靠的方向發(fā)展。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的挖補修理具有增重少、強度高、能恢復(fù)構(gòu)件的氣動外形等特點而成為主流的維修技術(shù)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的挖補修理需綜合考慮補片與膠結(jié)接頭的設(shè)計，材料選擇、補片與損傷結(jié)構(gòu)的膠結(jié)工藝等耦合或矛盾的因素，造成了維修技術(shù)的獨特性與復(fù)雜性。與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造類似的是，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維修也依賴已有的經(jīng)驗和知識。

隨著復(fù)合材料應(yīng)用的不斷深入，在航空維修領(lǐng)域已經(jīng)積累了大量的挖補維修案例成果。這些成果蘊含了維修經(jīng)驗、教訓(xùn)、方法和技巧等隱性知識。這些知識是維修設(shè)計人員提高維修質(zhì)量與可靠性和解決新問題的重要依據(jù)。特別地，維修實踐中遇到的損傷具有不可預(yù)知性和多樣性，相關(guān)修理手冊和制造商提供的維修方案不可能將其完全囊括。這類損傷的維修依賴已有的相似損傷維修方案設(shè)計經(jīng)驗。因此，如何共享、應(yīng)用和管理這類知識是提高維修質(zhì)量、縮短維修周期、實現(xiàn)維修快速響應(yīng)的重要途徑之一，對于提升企業(yè)核心競爭力具有重要意義。

通過構(gòu)建知識庫，將該類問題所用的經(jīng)驗、規(guī)則、方法與技巧等知識進行合理表示并應(yīng)用檢索算法實現(xiàn)知識的重用已經(jīng)成為一種有效解決方案，在飛機復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造領(lǐng)域得到深入研究。文獻[1]定義了攜帶材料、結(jié)構(gòu)、機械屬性和制造工藝信息的最小復(fù)合材料體積單元，并將這些單元進行合理組織以形成支持復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的知識庫。文獻[2]基于各類規(guī)則和約束，開發(fā)了界面友好的復(fù)合材料鋪層優(yōu)化設(shè)計專家系統(tǒng)。文獻[3]應(yīng)用基于規(guī)則的產(chǎn)生式知識表示，設(shè)計開發(fā)與CATIA集成的飛機復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計知識庫系統(tǒng)。文獻[4]根據(jù)面向制造的復(fù)合材料設(shè)計需求，開發(fā)了基于本體的復(fù)合材料層壓板語義知識管理系統(tǒng)。文獻[5]開發(fā)了基于知識庫的復(fù)合材料層壓板鋪層優(yōu)化專家系統(tǒng)，研究了目標函數(shù)庫、局部尋優(yōu)算子庫以及層合板鋪層規(guī)則庫的結(jié)構(gòu)與組成。文獻[6]基于ASP.NET與SQL Server實現(xiàn)了多用戶的協(xié)作設(shè)計，多專家知識支持的復(fù)合材料設(shè)計系統(tǒng)。文獻[7]的復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計知識庫主要包括典型構(gòu)件設(shè)計規(guī)則庫和設(shè)計實例庫。文獻[8]基于B/S架構(gòu)，開發(fā)了針對復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計的知識庫系統(tǒng)。文獻[9]研究了計算機輔助復(fù)合材料成型工藝的集成框架，構(gòu)建了框架的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和開發(fā)流程，進而實現(xiàn)了工藝卡片的定制。文獻[10]根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型工藝特征，研究了基于知識的工藝選擇專家系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和推理機制。文獻[11]研究了基于知識庫的快速復(fù)合材料構(gòu)件工裝設(shè)計系統(tǒng)。文獻[12]開發(fā)了基于知識的工程系統(tǒng)以在設(shè)計階段估算航空器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的重量和成本。

綜上所述，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造的知識庫系統(tǒng)的研究積累了豐富的研究成果，但針對維修知識庫系統(tǒng)相關(guān)的研究較少。而航空器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用導(dǎo)致了對高效可靠的維修技術(shù)的迫切需求，基于知識庫的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修可重用已有的經(jīng)驗與技巧，可進一步提高維修質(zhì)量與可靠性，具有重要的工程應(yīng)用價值。本文針對這一現(xiàn)狀，開展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)挖補修理知識庫系統(tǒng)研究。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與框架

復(fù)合材料挖補修理知識庫系統(tǒng)的主要目標是對航空維修領(lǐng)域的相關(guān)維修成果進行梳理，挖掘出修理過程所凝聚知識的組織、建模、管理與重用，從而有效支持挖補修理方案的快速設(shè)計，為維修單位的知識積累、傳承和應(yīng)用提供一種有效的解決方案。

復(fù)合材料挖補修理知識庫系統(tǒng)主要模塊為：1）復(fù)合材料挖補修理知識建模模塊；2）維修知識檢索模塊；3）基于知識的快速維修方案設(shè)計模塊。各個模塊分別實現(xiàn)的功能為，建模模塊根據(jù)積累的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)挖補修理案例，結(jié)合維修過程遵循的規(guī)則等，對維修案例進行基于知識的表示；檢索模塊根據(jù)建模模塊的知識組織及表示，采用基于案例推理的檢索方法檢索出最為相似的案例供用戶參考；維修快速設(shè)計模塊通過定制維修方案模板，實現(xiàn)維修方案的數(shù)字化設(shè)計以提高維修效率。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)挖補修理知識庫系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料挖補修理知識庫框架及應(yīng)用流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 復(fù)合材料挖補修理知識建模

結(jié)合已有的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修手冊和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修相關(guān)研究，建立了面向?qū)ο蟮膹?fù)合材料挖補修理知識模型，如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料挖補修理知識模型

1）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)幾何特征。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式主要有層壓結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)兩種。而構(gòu)件的幾何特征是其功能的體現(xiàn)，同時也是挖補修理補片的參考幾何，此外維修設(shè)計采用的有限元模型也需充分考慮結(jié)構(gòu)的幾何特征，損傷材料去除的數(shù)控加工方法也需根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何特征通過曲面偏置的方式生成刀軌等。

2）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷特征。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固有的各向異性以及鋪疊成型造成其損傷的多樣性與復(fù)雜性，需要綜合考慮損傷類型、損傷原因、損傷區(qū)域位置與尺寸等。

3）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測特征。包括檢測方法，如超聲C掃描等；檢測結(jié)果，損傷圖像，音頻等。針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷檢測，尚沒有一種檢測方法能夠檢測出所有的損傷類型，因此檢測出某個具體損傷的無損檢測方法對結(jié)構(gòu)維修具有重要的參考價值。

4）維修設(shè)計特征涉及的內(nèi)容。包括補片的幾何參數(shù)、材料參數(shù)、鋪層設(shè)計、膠粘劑選擇、固化溫度壓力選擇等。

5）維修工藝特征。涉及去除損傷材料的工藝方法、采用的工藝裝備、膠接表面處理方法與設(shè)備、固化參數(shù)與固化設(shè)備等。

6）維修驗證特征。包括外觀檢驗、內(nèi)部曲線檢驗和性能檢驗等。

2.2 基于相似性的復(fù)合材料維修案例檢索

2.2.1 案例索引

復(fù)合材料挖補修理案例檢索需要損傷構(gòu)件的索引信息，即適當選擇復(fù)合材料挖補修理知識模型中的各類特征作為相似性評價的因素。復(fù)合材料挖補修理案例的相似性比較采用的索引特征包括：

1）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)類型。根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的常見類型為層壓板和夾層結(jié)構(gòu)，設(shè)兩個維修案例分別表示為T1和T2，結(jié)構(gòu)類型的相似性用ST表示，則：

2）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)幾何形狀的相似性比較。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的幾何通常采用CAD模型來表示。近年來，基于內(nèi)容的CAD模型檢索算法已經(jīng)得到深入研究并逐漸在工程領(lǐng)域應(yīng)用[13,14]。CAD模型檢索主要通過比較模型之間的幾何相似性來檢索最為相似的模型。其中，基于形狀分布的幾何相似性度量利用幾何函數(shù)來計算模型頂點的形狀特征，統(tǒng)計相比較的兩個模型表面樣本點的幾何函數(shù)值出現(xiàn)的次數(shù)，并生成形狀分布直方圖。通過比較直方圖的相似距離來獲得模型間的幾何相似性度量[15]。該算法具有簡單、高效且對模型的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等具有不變性等優(yōu)勢。因此本文采用文獻[15]的D2形狀分布函數(shù)來得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)幾何模型的直方圖并計算相似性。

采用平均值對齊的方法對模型直方圖進行歸一化，平均值為：

其中，n表示隨機取的1024個頂點兩兩之間形成的線段的數(shù)量；li表示線段的長度。計算出平均長度后，以Lb作為直方圖水平軸的長度單位。

其中，N為一常數(shù)，本文取值50效果較好。對任意兩個相比較模型幾何所形成的直方圖h1，h2，其相似性度量為：

3）復(fù)合材料損傷區(qū)域。設(shè)兩個維修案例中的損傷區(qū)域相對面積分別為A1，A2，用SA表示損傷區(qū)域面積的相似性，則：

設(shè)兩個維修案例中損傷區(qū)域空間最小包圍盒的長、寬、高分別為a1，a2，a3和b1，b2，b3用SV表示損傷區(qū)域相對體積的相似性，則：

2.2.2 案例相似性計算

復(fù)合材料損傷結(jié)構(gòu)維修案例R1，R2的相似性由復(fù)合材料結(jié)構(gòu)類型、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)幾何特征和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷區(qū)域信息綜合加權(quán)獲得，用SR表示，則：

2.3 維修方案設(shè)計模板定制

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修通常遵循一定的規(guī)則和步驟，將整個方案制定過程通過知識模板的方式固化，可極大減少維修方案設(shè)計的工作量。根據(jù)本文的復(fù)合材料維修知識模型，該模板包含5個部分：損傷檢測、損傷特征、維修設(shè)計、維修工藝和維修驗證。損傷檢測定制的內(nèi)容包括檢測設(shè)備、檢測時間、檢測結(jié)果；損傷特征定制的信息包括損傷原因，損傷面積、損傷厚度；維修設(shè)計定制的信息包括補片幾何，直接與損傷面積和厚度關(guān)聯(lián)，結(jié)合維修手冊或相似案例給出補片的面積、長、寬、厚度等幾何參數(shù)；補片與母體的膠結(jié)接頭的幾何參數(shù)；維修工藝定制的信息包括去除損傷材料設(shè)備、去除損傷材料工藝、表面處理工藝、固化設(shè)備、固化溫度、壓力、時間和工裝；維修驗證定制的信息包括外觀檢測、無損內(nèi)部檢測方法和性能檢測等。根據(jù)維修方案設(shè)計知識模板，采用基于相似性的復(fù)合材料維修案例檢索查詢最為相似的已有案例，為模板中的各向定制信息提供參考，從而快速完成維修方案設(shè)計。

3 知識庫原型系統(tǒng)

以VS2008為開發(fā)平臺，結(jié)合SQLServer2005關(guān)系數(shù)據(jù)庫，利用VC#開發(fā)了復(fù)合材料挖補修理知識庫平臺以驗證本文方法的有效性。原型系統(tǒng)界面如圖3所示，系統(tǒng)主要由三大模塊構(gòu)成，即知識建模模塊、知識檢索模塊和快速維修方案設(shè)計模塊。知識建模模塊中的對象瀏覽器中的樹形結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了知識模型的基本框架。結(jié)構(gòu)幾何特征、結(jié)構(gòu)損傷特征等6個知識的組成特征以命令按鈕的形式與每個樹形結(jié)構(gòu)中的具體維修案例關(guān)聯(lián)。檢索模塊通過輸入損傷復(fù)合材料構(gòu)件類型、幾何形狀和損傷區(qū)域等信息進行知識庫中相似案例的查詢?？焖倬S修方案設(shè)計模塊則采用Word文檔方式將維修過程的參數(shù)與約束信息固化管理，從而實現(xiàn)維修方案的快速設(shè)計。

圖3 復(fù)合材料挖補修理知識庫系統(tǒng)

4 結(jié)束語

隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在飛機制造業(yè)中應(yīng)用的不斷深入，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修成為航空維修業(yè)新的機遇和挑戰(zhàn)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固有的各向異性以及鋪疊成型造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的復(fù)雜性與多樣性，因而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維修極其依賴知識和經(jīng)驗。知識經(jīng)濟的今天，維修企業(yè)的相關(guān)知識與經(jīng)驗作為重要的智力資源，是核心競爭力的體現(xiàn)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)挖補修理知識庫系統(tǒng)為相關(guān)企業(yè)的經(jīng)驗知識積累和應(yīng)用提供了一種有效的解決方案，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修技術(shù)穩(wěn)定性和可靠性的進一步提升也具有推動作用。同時知識庫的應(yīng)用還可有效提高維修效率，工程應(yīng)用前景廣闊。

[1] Hu Xiaochun, Sun Wei.A unit cell-based design support system for composite structures[J].Composite Structures,2002, 55(3):261-268.

[2] Kim J.Development of user friendly expert system for composite laminate design[J].Composite Structures,2007,79(1):76-83.

[3] Mei Zhongyi,Zhu Sanshan, Younus Muhammad, et al. Research on knowledge-based system for typical aircraft composite component design[J].Procedia Engineering,2011,15(5):1431- 1435.

[4] Premkumar V, Krishnamurty S,Wileden J C,et al. A semantic knowledge management system for laminated composites[J]. Advanced Engineering Informatics,2014,28(1):91-101.

[5] 王共冬,王軍,陳浩,等.復(fù)合材料層合板鋪層優(yōu)化專家系統(tǒng)的開發(fā)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2013,35(10):43-49.

[6] 富威,王鵬,李慶芬.基于Web的復(fù)合材料設(shè)計專家系統(tǒng)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2004,25(6):773-776.

[7] 劉亞琳,范玉青,張麗華.復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計知識庫研究與實現(xiàn)[J].航空維修與工程,2006,2:39-42.

[8] 劉志存,肖興輝.飛機復(fù)合材料構(gòu)件連接設(shè)計知識庫的研究與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,35(11):154-156.

[9] 王共冬,劉文劍,金天國.計算機輔助復(fù)合材料成型工藝集成框架研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,39(3):497-500.

[10] Yu Jia,Zhang Boming, Shi liping, et al. Research on an expert system for processes selection in composite materials engineering [J]. Journal of Computational and Theoretical Nano- science, 2008,5(8):1693-1695.

[11] 張虹.飛機復(fù)合材料構(gòu)件工裝設(shè)計知識庫系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]. 南京:南京航空航天大學(xué),2008.

[12] Choi Jin-Woo.Architecture of a knowledge based engineering system for weight and cost estimation for a composite airplane structures[J].2009,36(8):10828-10836.

[13] 潘翔,張三元,葉修梓.三維模型語義檢索研究進展[J].計算機學(xué)報,2009,32(6):1069-1079.

[14] Iyer N,Jayanti S, Lou K,et al. Three-dimensional shape searching: state of the art reiview and future trends[J].Computer-Aided Design,2005,37(5):509-530.

[15] OSADA R,FUNKHOUSER T,CHAZELLE B, et al. Shape Distributions[J].ACM Transactions on Graphics,2002,21(4):807-832.