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基于面向对象的拉深筋设计系统研究 摘要 随着汽车工业的发展，特别是轿车，大型覆盖件的成形研究和模具设计技 术日益受到各国学者和汽车厂家的普遍关注。尤其近年来计算机技术在汽车工 业领域的运用也越来越普遍，并带来了巨大的经济效益。 在汽车覆盖件成形过程中，压料面上各部位的进料阻力存在很大差别，通 常采用拉深筋来进行控制。但是目前对拉深筋阻力的产生及其各种因素的影响 规律还不是十分清楚，因此在覆盖件模具的拉深筋设计中，一般都凭经验而行， 并无理论依据。这样导致在模具调试过程中，原设计往往被修改的面目全非， 大大增加了调模时间和调模难度，而且大量浪费了人力和物力，严重时甚至导 致整个模具作废。 本文在了解国内外有限元技术在覆盖件成形中的应用情况的基础上，针对 有限元模拟前的拉延件工艺设计中的拉深筋设计一环，完成拉深筋的布置及筋 参数的初步设计，为后续有限元模拟提供所需的边界条件。 作者结合现场调研，详细分析覆盖件及其成形工艺特点，把握拉深筋设计 的关键：关注周边区域，着眼局部特征。应用面向对象技术和特征技术，定义 针对拉深筋设计的特征及其类层次。并且结合拉深筋设计知识的特点( 模糊性) ， 采用规则和人工神经网络相结合的工艺知识表示方法，将拉深筋设计知识分布 式地存储与各特征( 零件) 类中。并且系统提供知识库管理功能，可对规则和 神经网络等不同类型的知识进行管理。并且建立数据库系统，作为知识库的外 部储存方式。 本文利用神经网络在单筋、双筋两种情况下，建立拉深筋参数与反映拉深 筋阻力的流入量之间的映射关系。根据拉深筋设置时筋参数之间的约束关系， 运用基于个体迁移遗传算法，将各个筋参数转化为染色体，各种约束条件转化 为染色体的个体适应度函数，通过选种、基因重组和变异，对染色体进行迭代 搜索和寻优。 关键词：汽车覆盖件，面向对象，拉深筋，神经网络，遗传算法 i v s t u d yo ne x p e r ts y s t e mf o rd r a w b e a dd e s i g nb a s e d o n o b j e c t e d - o r i e n t e dm e t h o d a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y , e s p e c i a l l yt h e p a s s e n g e rc a r s ，t h ef o r m i n ga n dt h em o l dd e s i g no ft h el a r g ea u t o m o b i l ep a n e l sa r e i n c r e a s i n g l yp a i d a t t e n t i o nb ya c a d e m i c i a na n dc a rm a n u f a c t u r e r r e c e n t l y ， c o m p u t e rh a sb e e nm o r ep o p u l a ri na u t o m o b i l ef i e l d ，a n da l s ob r o u g h th u g eb e n e f i t o ne c o n o m y d u r i n gt h ef o r m i n gp r o c e s so f t h ea u t o m o b i l ep a n e l s ，t h er e s i s t a n c eo nb i n d e r s u r f a c ei su n e v e n ，s ow ec a nl a y o u tb e a dt oc o n t r o li t b u tu n t i ln o wp e o p l ed on o t q u i e tk n o wh o wt h eb e a dr e s i s t a n c eb e i n ga n dh o wd os o m ef a c t o r si n f l u e n c ei t s o ， t h ed e s i g no ft h eb e a dd e p e n d so nt h ee x p e r i e n c eo ft h ed e s i g n e rn o tt h et h e o r y s o t h eo r i g i n a ld e s i g nh a da l w a y sb e e nr e w o r k e dal o td u r i n gt h ep r o c e s so fm o l d d e b u g g i n g ，a n dt h i st a k em o r et i m ea n dm o n e y , a n ds o m e t i m e s ，e v e nm a d et h e w h o l em o l dd i s c a r d e da su s e l e s s a f t e rc o m p r e h e n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ef e mi na u t o m o b i l ep a n e l s f o r m i n g ， a i ma tt h ed r a w b e a dd e s i g nw h i c hi si n c l u d e di nt h es t a m p i n gp a r t d e s i g n ， a c c o m p l i s hw h e r ed o e st h eb e a dl a ya n dh o w t od e s i g nt h ep a r a m e t e r so ft h eb e a d ， i no r d e rt oa p p l yb o u n d a r yc o n t r o l l i n gf o rf es i m u l a t i o n c o m b i n e dw i t hl o c a l i n v e s t i g a t i o n i nt h ea u t o m o b i l ec o m p a n y , a u t h o r a n a l y s e st h ec h a r a c t e ro ft h ea u t o m o b i l ep a n e l s f o r m i n g ，a n dg r a s pt h ek e y o fb e a d d e s i g n ：p a ya t t e n t i o nt oc i r c u m j a c e n tf i e l do fa na u t o m o b i l ep a n e l ，a n dt a k et h ep a r t c h a r a c t e ri nm i n d o b je c t o r i e n t e dm e t h o da n df e a t u r et e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d i n t od e f i n et h ea r r a n g e m e n ta c c o r d i n gt ot h eb e a dd e s i g n a n dc o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e ro ft h eb e a d d e s i g nk n o w l e d g e ( f u z z y ) ，ia d o p t t h e k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nw h i c hi n c l u d e sb o t hr u l ea n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n da l lt h e k n o w l e d g ea b o u tt h eb e a dd e s i g ni sd i s t r i b u t e di nt h ef e a t u r e ( p a r t ) c l a s s b e s i d e s ， t h ek n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e mi sp r o v i d e d ，w h i c hc a nm a n a g et h ek n o w l e d g e t y p el i k er u l ea n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k d a t a b a s es y s t e mi sp r o v i d e dt o o ，a st h e e x t e r i o rd e p o s i t a m a p p e dc o n n e c t i o nb e t w e e np a r a m e t e r so ft h eb e a da n dl e n g t ho ff l o w n - i n m a t e r i a lw a ss e tu pw i t ha r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki ns i n g l eb e a do rd o u b l eb e a d s b a s e do nt h er e s t r i c t i o no fb e a ds e t t i n g ，u s e dg e n e t i ca l g o r i t h m ，t r a n s f o l r m e d p a r a m e t e r so ft h eb e a dt oc h r o m o s o m e ，a n dt h er e s t r i c t i o nt os i n g l ea d a p t a t i o n f u n c t i o n ，t h e nb ys e l e c t i o n ，g e n er e c o m p o s i t i o na n dv a r i a t i o n ，s e a r c h e dt h eb e s t c h r o m o s o m e k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ep a n e l s ，o b j e c t o r i e n t e d ，d r a wb e a d ，a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ，g e n e t i ca l g o r i t h m s v 插图清单 图1 1矩形筋横截面图示4 图2 1传统知识库系统1 1 图2 2面向对象的知识库系统1 1 图2 3对象的层次结构- 1 2 图2 4拉深筋设计的设计模式1 4 图2 5基于规则的专家系统结构示意图一1 5 图2 - 6系统的总体结构1 6 图3 1常见的外覆盖件一1 9 图3 2零件特征类层次1 9 图3 - 3三角形隶属函数示意图2 4 图3 - 4模糊规则编码数据结构2 4 图3 5 规则链的结构2 5 图3 - 6模糊推理流程图2 7 图4 1人工神经元模型2 9 图4 2三层b p 网络模型结构一3 0 图4 3右侧围外板件侧壁上的流入量3 2 图4 4初估流入量的计算流程“3 4 图4 5拉深筋几何参数示意图3 5 图4 6零件侧壁件高度网络训练输出结果3 7 图4 7侧壁高度流入量网络训练输出结果3 8 图4 8单筋网络训练的输出结果及测试结果3 9 图4 9双筋网络的测试结果3 9 图5 1拉深筋工作原理图4 2 图5 2拉深筋各影响因素调节能力对比图一4 2 图5 3相邻迁移拓扑结构一4 6 图5 4基于个体迁移遗传算法的筋参数优化流程图“4 7 图5 5右侧围外板的侧壁段划分4 7 图6 1拉深筋设计系统人机界面主窗口”4 9 图6 2拉深筋设计系统网络学习训练模块5 0 图6 3拉深筋设计系统网络预测窗口5 0 图6 - 4 d e l p h i 基本数据库组件关系“5 2 图6 5零件信息输入窗口5 4 图6 - 6侧壁段类信息输入输出窗口5 4 图6 7折拐缺口突出类信息输入输出窗口5 5 图6 8斜面窗口信息输入输出窗口5 5 图6 - 9系统的设计过程5 6 i x 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 - 4 表4 5 表4 6 表4 7 表5 1 表5 2 表5 3 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表格清单 项代码含义及取值范围2 5 拉延工艺参数对流入量的影响一3 3 与侧壁段相关的网络节点定义及取值范围3 5 筋参数网络的节点定义3 5 零件拉延件侧壁高度网络的测试结果3 7 侧壁高度一流入量网络的测试结果3 8 单筋网络的测试结果一3 8 双筋网络的测试结果3 9 拉深筋几何参数的取值范围和许可变化率4 3 基于实值编码的遗传算法个体取值一4 6 拉深筋参数设计结果与实测结果的对比4 8 常用半圆形筋和矩形拉深筋的结构参数变化范围数据表4 9 单筋网络筋参数输入样本数据表结构一4 9 前门外板规则集数据结构表4 9 拉深筋布置方法5 2 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金旦巴王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：杵秀荔签字日期：啡；月力力日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权金目巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：林秀秀 签字日期：砌君年乡月厶7 月 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：p 导师签名： i ，丫。 签字日期：础年弓月广日 电话： 邮编： 致谢 在本文完稿之际，首先向我的导师薛克敏教授的辛勤培养与无私关怀表示 衷心的感谢! 在我两年半的硕士研究生学习期间，无论是从专业课程学习、论 文选题、课题研究思路确定，还是到学术论文发表、硕士论文成稿以及日常生 活中，始终受到了导师的亲切关怀和悉心指导。恩师渊博的专业知识、严谨的 治学态度、精益求精的工作作风以及非凡卓越的敬业精神，深深教育和激励着 我，使我受益匪浅，并将继续对我以后的学习、生活产生深刻的影响。“教诲如 春风，师恩似海深 ，在此，谨向我的恩师致以由衷的谢意和诚挚的祝福! 特别感谢在课题研究中给予我指导和帮助的李萍教授、刘全坤教授、陈文 琳副教授、陈忠家副教授等，他们都给我提供了宝贵的建议。同时感谢材料学 院翁洁老师、聂爱琴老师等在日常学习和生活中给予我的关心和帮助! 衷心感谢师兄周明智、周林、赵茂俞、陆佳平等，师姐张青、段园培、刘 小旦等，以及本届许锋、甘国强、武国剑、黄灿彰、王锋、卫定、吴吴、孙丽 丽及其他同学如郑超、肖福成等以及张君、黄科帅、任翠锋、王明艳等师弟师 妹们在学习和生活上给予我的关心和帮助。 深深感谢我的家人，他们在精神上和经济上始终给予了我巨大的支持和鼓 励，使得我能专心和顺利完成学业，深深地感谢他们对我的教育和培养，我取 得的每一个进步都与他们分享! v i 作者：林秀秀 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 汽车车身与底盘和发动机一起构成汽车的三大部件，它还是决定汽车产品 市场竞争力和市场寿命的主要因素之一。车身是特殊的机械产品，是结构设计、 制造技术和艺术造型的结合。一个新车型的投产，用于车身的投资大约占全部 投资的4 0 - - - - 6 0 ，可见车身制造是一项非常庞大的系统工程。我国汽车要进 军国际市场的最大问题是车身开发。车身开发，关键是轿车车身设计、开发、 制造、模具、计算机辅助系统和轿车车身的冲压、焊接、油漆、装配四大工艺【l j 。 其中车身零件冲压成形是汽车车身制造的最主要工艺，同时也是决定车身质量 的关键工艺。 车身零件冲压成形的质量是由模具设计制造、冲压工艺、材料机械性能等 多种因素决定的。车身覆盖件的典型特点就是空间曲面轮廓尺寸较大，尺寸精 度和表面粗糙度要求很高，设计和加工要考虑很多因素。覆盖件模具的设计往 往要求有很多年工作经验的设计人员来完成。目前中国汽车模具企业存在的根 本问题就是冲压工艺和人员经验上存在较大的差距【z 】。我国汽车工业发展的一 个最主要问题是车身冲模设计制造技术水平低、冲模质量差、生产能力不足， 以致要耗费巨资外汇从国外引进大量成套的车型冲模。8 0 年代我国引进车身冲 模就花费了1 3 亿美元【”，2 0 世纪9 0 年代很多合资汽车厂的车型模具也主要依 赖引进，直到2 0 0 6 年一年我国进口冲压模具花费7 5 5 亿美元，约合6 2 5 亿人 民币 4 1 。 随着汽车工业的发展，特别是轿车，大型覆盖件的成形研究和模具设计技 术日益受到各国学者和汽车厂家的普遍关注。特别是计算机技术、有限元理论 的发展，大型覆盖件成形性预测系统的建立已成为可能。在覆盖件成形过程中， 压料面上各部位的进料阻力存在很大差别，通常要采用拉深筋来进行控制。拉 深筋参数的合理取值及其合理布置是控制金属流动、防止出现起皱和破裂的重 要手段。拉深筋是薄板冲压成形中的重要控制手段，尤其是在曲面零件、半轴 对称零件及大型覆盖件的冲压成形中更是占有举足轻重的地位。拉深筋在诸多 冲压成形控制方法中是最方便、最灵活而又应用最广泛的方法。因此，拉深筋 的设计是冲压模具设计的关键技术。拉深筋阻力的产生及其各种因素的影响规 律还不十分清楚，对大型覆盖件、复杂冲压件模具中的拉深筋设计，只是凭经 验而行，并无理论依据。因此，在模具的调试过程中，原设计往往被修改的面 目全非，不仅增加了调模时间和调模难度，而且大量浪费了人力和物力，严重 时甚至导致整个模具作废。拉深筋是覆盖件冲压成形过程中拉延阻力的主要提 供者，大型覆盖件模具的调整过程，往往就是通过打磨来调整拉深筋几何参数 的过程，因此拉深筋设计是覆盖件模具设计的关键技术之一。目前，对筋的作 用机理还缺乏认识，模具中拉深筋的设计和布置主要依靠经验，而在模具调试 阶段还需对筋进行多次的调整和打磨，这一费用约占模具总费用的2 0 以上。 可见，拉深筋设计对覆盖件成形质量的影响具有举足轻重的作用，目前， 拉深筋一直是各国学者和众多汽车厂家关注的热点。因此选择覆盖件模具中的 拉深筋设计作为研究方向，对我国自主设计、制造车身覆盖件模具及其开发新 车型都具有重要的意义。 1 2 国内外拉深筋的研究及设计现状 拉深筋在薄板拉深成形中的应用已有悠久的历史，自从上个世纪6 0 年代 末，人们开始重视拉深筋的设计问题，近4 0 多年来很多学者分别采用实验研究、 理论分析和有限元方法对拉深筋的作用机理、拉深筋阻力的构成、拉深筋对板 材成形质量的影响做了研究，取得了较大的进展。而且近年来很多学者开始将 优化理论引入到拉深筋的设计上来。 1 2 1 拉深筋的实验研究 上世纪6 0 年代末、7 0 年代初，l l o y d 和m j p a i t e r 分别在拉深实验仪器上 对板条通过半圆形筋的拉深过程进行研究，得出拉深筋阻力随筋的压入深度的 不同、润滑条件的不同以及拉深速度不同而变化的结论p ，6 j 。 2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初，美国通用汽车研究实验室的h d n i n e 最早对 拉深筋做了较为全面的研究。h d n i n e 指出在拉深筋设计中拉深筋阻力及设置 拉深筋后所需的压边力是拉深筋设计中关键的力能参数，并明确提出了拉深筋 阻力由板料通过拉深筋时弯曲、反弯曲变形产生的变形阻力和板料与拉深筋间 的摩擦阻力两部分组成。他还设计了一个拉深筋阻力模拟测试仪，这以实验仪 器已经成为目前用实验方法对拉深筋进行实验研究的主要仪器。l9 8 2 年 h d n i n e 进一步分析了拉深筋阻力的成因，提出在拉深筋凹槽中嵌入聚氨酷垫 块，可有效增加拉深筋阻力，实现对拉深筋阻力的快速调节，并且在文中讨论 了不同的条件下，嵌入聚氨酷垫块对拉深筋阻力的影响【7 9 】。 进入9 0 年代，c h r y s l e r 公司的n m w a n g 和v c s h a 在m t s 成形性能测试仪 上，研究了不同润滑、不同夹紧力时的拉深阻力大小及其对冲压件极限拉深深 度的影响，指出拉深筋的几何形状是影响阻力大小的重要因素【lo | 。w a t e r l o o 大 学的j o h n a s c h e y 等人应用n i n e 设计的拉深筋模拟测试仪研究了不同润滑条 件、不同筋表面粗糙度对普通钢板和镀层钢板的摩擦系数的影响，指出在通常 条件下，拉深筋表面越粗糙，摩擦对润滑油的敏感度就越低，但这将造成金属 表面划伤；拉深筋表面越光滑，摩擦对润滑油的敏感度就越高，但这样可减少 金属表面的划伤度1 3 。m y d e m e r t 在文献 1 4 1 中，通过实验着重研究了五种 不同材料下压边力及拉深筋高度对拉深筋阻力的影响。研究结果表明，对于各 种材料，拉深筋阻力均随压边力及拉深筋高度的增加而增大。 国内关于拉深筋的实验研究也取得一定的成绩。哈尔滨工业大学的邢忠文 和杨玉英等人在大量实验基础上，系统研究了拉深筋阻力的形成机理及影响因 素，指出拉深筋阻力是由板料通过拉深筋时的弯曲反弯曲变形力、摩擦力及因 变形硬化引起的变形抗力三部分共同组成；指出拉深筋阻力的影响因素包括拉 深筋的形式、拉深筋几何参数、材料特性、润滑条件、变形速度和压边力等， 其中拉深筋几何参数和拉深筋形式对拉深筋阻力的影响最大【1 5 1 7 。李硕本、金 森等人建立了拉深筋力能参数测试系统，通过数值模拟和实验相结合的方法研 究了拉深筋的作用机理以及几何参数对拉深筋阻力的影响【1 8 2 0 j 。并且研制了无 摩擦拉深筋模型实验装置、开发了基于虚拟仪器软件l a b v i e w 的实验测试平 台，对板材通过拉深筋的过程进行了实验研究，分析了板材经过常规拉深筋和 无摩擦拉深筋条件下各力能参数的变化规律，利用无摩擦拉深筋实验装置研究 了摩擦阻力在拉深筋中的作用，实验表明摩擦阻力占拉深筋总阻力的比例约为 4 0 左右，同时分析了减薄梁与拉深筋结构的关系，为拉深筋的设计和调整提 供了理论依据【2 1 | 。 1 2 2 有限元在拉深筋研究上的应用 1 9 6 7 年，m a r c e l 和k i n g 首次提出弹塑性有限元法，经过四十多年的发展， 弹塑性有限元法已经日趋完善，并且成功的应用到板材的数值模拟中。目前， 板材的数值模拟已经开始进入应用阶段，国外已经出现了许多成熟稳定的有限 元商业化软件，如e t a d y n a f o r m 、a u t o f o r m 、m a r c 、p a m s t a m p 、o p t e i s 、m t i f m 、 a n s y s 、a b a q u a s 等。 随着这些有限元软件的商业化，国内外很多学者开始利用这些软件对拉深 筋进行研究。国外的j c a o 和m c b o y c e 应用a b a q u a s 有限元软件研究了拉深筋压 入深度对拉深筋阻力的影响，他们将板料流过拉深筋时的变形状态简化为平面 应变状态，不考虑包辛格效应和应变速率的影响，有限元模型的几何参数与n i n e 的实验数据相同。计算结果与n i n e 的实验结果比较吻合【22 | 。t m e i n d e r s 建立了 一种基于罚约束法的拉深筋等效模型，该模型不仅考虑拉深筋阻力与压实拉深 筋所需的压筋力，还将板料厚向应变以一种约束条件代入等效拉深筋模型的刚 度矩阵。应用于杯形件仿真时，仿真结果比只考虑拉深筋阻力的计算结果更接 近实际值 2 ”。n m o h a m e d s h e r i f f 和m m o h a m e d i s m a i l 等人通过有限元方法 来优化矩形筋的位置并且分析不同拉深筋位置下杯形件拉深过程中应变和板料 厚度的变化。他们用d y n a f o r m 建立模型，并且在l s d y n a 中分析【2 4 | 。 m e h m e t f i r a t 等人，建立有限元模型用来预测拉延筋阻力及布置了拉深筋后的汽 车覆盖件拉延成形特性，文中主要用的是矩形筋，如图1 - 1 所示【2 引。 i 嘲附嘲 图1 - 1 矩形筋横截面图示【2 列 国内，邢忠文等应用弹性大变形有限元理论，开发出针对半圆形拉深筋的 数值模拟软件【2 6 1 。叶又等利用l s 2 d y n a 软件，采用了基于随动强化材料模型和 平面应变假设，计算了板料经过半圆形拉深筋时受到的阻力和板料厚向应变， 计算结果比采用各向同性强化材料模型的计算结果更接近实验值【z 。金森，郭 华英在文献 2 8 3 0 3 中，利用m a r c 软件研究了拉深筋对板材成形的影响。 1 2 3 优化理论在拉深筋参数设计上的研究 湖南大学的韩利芬等人，以某车型前地板角支撑板的拉深工序为例，讨论 神经网络和遗传算法在拉深筋几何参数反求中的综合应用问题，建立能描述反 映成形效果的三个参数与半圆形拉深筋几何参数之间非线性映射关系的神经网 络，并运用遗传算法对神经网络结构进行了优化【3 1 1 。该校的郑刚等人，引入响 应面方法和遗传算法建立基于近似模型的拉深筋几何参数反求方法【32 1 。华中科 技大学的易国锋，柳玉起等人，基于有限元逆算法和灵敏度优化的b f g s ( b r o y d e n f l e t c h e r g o l d f a r b s h a n n o ) 算法，提出一种以成形极限曲线和起皱极 限曲线作为目标函数，优化拉深成形中的拉深筋位置和大小的拉深筋灵敏度优 化算法 3 3 3 4 1 。华南理工大学的黄玉萍，王波等人，以某汽车侧壁外板的拉深工 序为例，讨论了神经网络技术与遗传算法在拉深筋优化设计中的综合应用问题。 建立了反映板料成形参数与拉延筋阻力之间非线性映射关系的b p 网络模型。 利用该训练好的神经网络可以实现拉深筋的优化设计 35 1 。上海交通大学在拉深 筋优化方面也做了很多的研究【3 引。 1 3 覆盖件工艺设计专家系统存在的问题和发展方向 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) ，是人工智能领域当前最为活跃的分支之一。从 2 0 世纪6 0 年代开始，专家系统作为一种研究工具而被开发，作为人工智能的一 个特定部分，它可以成功解决某些领域如医疗诊断的复杂问题。但建立一个通 用的人工智能程序解决一切问题难以实现，因为缺乏问题领域的专家知识。自 从2 0 世纪8 0 年代早期，专家系统已用于商业、科学、工程、制造和其他许多领 4 域。专家系统在人工智能技术领域有非常成功的应用。许多方法使其他技术与 专家系统结合，例如遗传算法、人工神经网络等。使用了人工智能的系统通常 称为智能系统或自动系统。 1 3 1 覆盖件工艺设计专家系统的发展概况 国际上最早开展汽车覆盖件c a d c a m 系统研究与开发的是各个汽车制造 公司，上世纪8 0 年代的丰田汽车公司将数控技术用于汽车覆盖件的模具加工， 取得了很好的经济效果。本世纪之初，丰田汽车公司又采用了美国p d c 公司基 于p r o e 软件平台开发的面向拉延模设计的专业化软件p r o d i e f a e e 【3 7 】。美国通 用汽车公司依托美国u g s 公司在u g i i 软件平台上也开发了用于汽车覆盖件模 具设计的专用模块，如钣金件设计、车身设计、覆盖件冲压工艺设计和模具结 构设计等。同时，美国福特汽车公司、英国p s f 公司、日本荻原铁工所、富士 铁工所等国外生产汽车覆盖件模具的公司也开发了各自公司专用的汽车覆盖件 模具c a d c a m 系统。这些系统尚未商业化。 模具型面的构造是覆盖件模具设计的主要内容，很多覆盖件的冲压工艺设 计系统一般都是覆盖件模具c a d 系统的子系统。以上子系统都具有如下功能 3 8 , 3 9 1 ： 1 ) 根据零件型面数据或截面线选择拉深方向； 2 ) 以人机交互的方式，通过专用的模块，较方便地完成工艺补充、压料面、 拉延台阶、拉深筋等覆盖件特有要素的造型； 3 ) 以几何分析为手段，从凸模接触区扩展行为、截面线形状变化，平均截 面线长度变化率、局部伸长率等不同方面，对覆盖件的成形性进行评估、判断。 另外，有的系统还可确定覆盖件所需的冲压工序数以及各工序的成形内容。 国内的c a d c a m 技术近几年也有所发展，如华中理工大学目前正致力于 多工位精密级进模c a d c a m 项目的研究【4 们。华中科技大学模具技术国家重点 实验室最新推出的汽车覆盖件冲压成形快速分析软件f a s t a m p ，基于改进的有 限元逆算法和板壳单元，综合考虑了摩擦、压边力和拉深筋等工艺条件，将产 品设计、材料选择和工艺设计紧密联系起来，能够快速模拟汽车覆盖件成形后 的起皱、破裂和成形不足等缺陷，优化压边力、拉深筋和摩擦等工艺参数、校 核压料面和工艺补充面的合理性、提供最优的毛坯形状，从而可以为汽车覆盖 件工艺设计和模具设计提供全面的解决方案【37 1 。2 0 0 6 年，顾峰以u g 为平台， 开发三维覆盖件模具c a d c a m 系统的总体结构和设计流程，目的在于探索在 短时间内如何成功地开发模具c a d 系统，从而促进覆盖件模具设计的效率和水 皿【4 1 】 io 1 3 2 覆盖件工艺设计专家系统存在的问题及原因 虽然采用c a d 技术可以大大缩短模具设计的时间，但模具设计( 尤其是型 面设计) 中的大量工作都需由工艺人员根据经验完成。根据统计，设计者对工 艺、模具结构方案进行决策所占用的时间，等于全部设计时间的一半【42 。由前 面介绍的国内外现有各覆盖件模具c a d 系统，最多只能完成工序设计和工序排 序等任务。至于模具型面，都是由设计人员根据自己的经验进行设计的。虽然 他们也根据有限元或几何分析的结果，对型面进行修正，但工艺专家的经验却 没有得到充分、有效的利用。也极有可能是各生产厂家为了保护商业机密，对 工艺设计专家系统秘而不宣。曾在美国著名的o h i o 大学净形制造工程研究中心 的吴欣博士在于记者讨论时指出：在与他们合作的三大模具制造厂( 占领全美 模具市场的4 0 ) ，虽然大多采用有限元软件对模具型面进行优化，但并没有 为之提供初始条件的要领设计专家系统，该项工作是由专门的工艺师完成的。 现为美国福特汽车公司计算机辅助工程部研究员的王南欣博士，谈到福特公司 在工艺设计专家系统研制的进展情况时指出：几年前曾开展过这方面的工作， 但由于来自工艺专家方面的阻力，取得的进展非常有限。可见，人的经验是最 有效的，因而也是最宝贵的。然而获取这些经验，并将其加以整理，使之系统 化和形式化，不仅有技术上的难度，而且还存在可以理解的社会障碍。因此， 国内外针对覆盖件模具型面设计的专家系统至今仍是空白。主要原因有以下几 点： 1 ) 工艺知识的积累不易，获取更难。 模具型面设计的影响因素众多，相互制约，常常“牵一发而动全身”，设计 人员不经过大量的设计实践，不在头脑中积累一批典型零件和典型工艺的实例， 就很难在错综复杂的多因素作用中抓住主要矛盾，从而归纳出具有普遍性的工 艺知识。应该指出，所谓：“大量的设计实践”，不仅意味着较长的工作年限、 较高的技术水平，还包括接触过较多车型的零件和工艺。而在我国现实中，符 合这些条件，又有时间精力和热情参与专家系统开发工作的资深工艺专家为数 不多。 2 ) 经验知识难以表达、量化。 专家的经验一般表现为两种形式，第一种形式是专家头脑中的典型实例知 识( 典型零件、典型结构、典型工艺、典型参数) ；第二种形式是设计时的一 种“直觉”，这种“直觉”的准确性、敏感性是衡量专家经验丰富与否的标准。后 者是前者的升华和提高，前者是后者的基础，由于各种典型实例知识的分布很 难保证规范( 即不同的典型知识的典型特征并不相同，很难在相同的情况下进 行分析、比较) ，所以专家在归纳其经验时，就很难给出无矛盾或较为精确的 描述。很多经验( 直觉) 一经表达，要么与其它已归纳的经验相矛盾，要么流 于泛泛，针对性差，使用价值不大。另一个需要指出的问题是，专家们描述经 验知识时，多使用模糊性的描述，而各人使用的模糊度量又不一致，这就更加 增加了知识获取工作的难度。经验知识能否量化以及量化的准确性是经验知识 6 质量的重要标准。 3 ) 专家对知识获取和表达的工作量和难度估计不足。 在整个知识获取的过程中，专家的充分参与是必不可少的至关重要的。知 识获取的过程是一个“去粗存精，去伪存真，由此及彼，由表及里”的循环往复、 不断深化的过程。其间需要工艺专家对自己的经验进行归纳、整理，然后结合 计算机的特点加以表达，还要对已获得、并已表达的“新知识”进行大量的评价、 反馈和修正，而这都需要占用他们的大量时间。但在实际过程中，几乎无法为 知识获取工作安排专职的工艺专家，一般至多安排兼职人员，而且不能保证及 时、有效的讨论和交流，从而很难满足知识获取的需要。目前，具有丰富经验 的工艺专家一般年龄都在5 0 岁以上，他们对引进国外模具的弊病有切肤之痛， 急欲通过应用计算机技术提高模具设计水平，振兴我国的模具行业；他们对当 前计算机技术的发展虽有面上的广泛了解，但是缺乏亲身实践的体验，对其中 的难度难以全面、准确的把握，因而往往对专家系统的研制做出过分乐观的估 计。 1 3 3 覆盖件工艺专家系统的发展方向 为了开发出实用的型面设计专家系统，应加强以下技术的研究和应用。 1 ) 特征建模技术。 目前，实体造型是计算机生成覆盖件形状模型的主要方法，即利用低级的 几何实体一点、线、面，构造出覆盖件的复杂型面。但模具设计人员一般都习 惯于在较高的语义层次上进行设计，实体造型使设计人员难以有效的表达其设 计意图。除了零件的几何形状外，材料特性、尺寸精度等也是设计人员必须考 虑的因素。而这都是实体造型方法所不具备的。为解决这些问题，必须采用特 征建模技术，使设计人员在更高语义层次上表达设计对象。 应该指出，对于覆盖件型面设计而言，模具设计人员所惯用的设计特征， 与工艺设计人员所关注的工艺设计特征往往并不相同。一般来说，后者的语义 层次高于前者。目前研究的特征建模技术一般都是针对前者的，对后者的研究 非常罕见。究其原因，工艺知识的匮乏是制约研究的重要因素。要真正实现模 具c a d c a p p c a m 一体化，必须在广泛搜集工艺设计知识的基础上，大力加强 对工艺设计特征的研究，力争抽象、提取和建立实用的工艺设计特征库，并实 现两类设计特征间的相互转换，或建立兼收并蓄的统一的产品特征模型，以便 使零件特征信息模型更好地满足不同设计阶段和人员的要求。 2 ) 知识表示模式。 实践证明，一个系统的成功与否，很大程度上取决于是否采用了恰当的知 识表示模式。设计人员在进行覆盖件工艺设计时，运用的知识是多种多样的。 在深入分析各设计阶段任务、内容的基础上，确定各阶段运用得主要知识类型， 进而设计或采用最恰当的知识表示模式，是提高系统性能的有效手段。 1 4 本文的研究内容 本文是对安徽江淮汽车集团汽车研究院项目基金瑞风商务车轮包拉 延成形r e c a d c a e 技术研究做的延伸研究和探索。结合计算机和人工智能 技术，对实现汽车覆盖件拉深筋智能化设计进行了探索和研究。 本文研究内容是围绕着建立覆盖件拉延件工艺设计中拉深筋设计专家系 统，以此作为后继的板料成形有限元模拟的起点这一中心展开的。应用特征技 术和面向对象分析设计方法，定义了有针对性的工艺设计特征及其类层次。在 下厂调研的基础上，提出了( 模糊) 规则和人工神经网络相结合的工艺知识表 达模式，并将拉深筋工艺知识分布式地存储于各特征( 零件) 类中。另外还将 遗传算法用于拉深筋各参数的优化和神经网络权值的学习。 8 第二章面向对象专家系统的原理及系统的总体设计 2 1 面向对象方法学 2 1 1 面向对象的基本概念 面向对象程序设计是近年来发展迅速、应用很广泛的一种比较先进的软件 设计方法，这种设计方法基于信息隐藏和抽象数据类型概念。每一个对象封装 一个数据类型和一组过程，并且允许外界在其上的运行权限。以下介绍其一些 基本概念【4 川。 1 对象对象是属性和服务的封装体，在程序设计中，可以把对象看成是 数据和作用于这些数据上的操作的总和。对象将知识和使用它的一组操作或者 过程封装在一起得到一个实体，既知识及其处理过程统一在对象中，将其总是 作为一个整体使用。 2 类和类层次类是一组具有共同特征( 属性和方法) 对象的抽象，对象 就是类的一个实例。虽然同一类的对象具有相同的内部组织形式( 属性) 和外 部行为( 方法) ，但由于其内部状态( 属性值) 可能不同，所以同一类的不同 实例对象可以不同。超类和子类分别构成了一个类的上层的根节点，定义各相 关类的共同行为和操作接口。抽象类中所定义的操作往往是基本或部分的，它 们的进一步充实和细化常常在子类中完成。一个类的超类和子类都可以有多个。 3 消息消息是向某对象请求服务的一种表达方式，对象可通过发送消息， 从其它对象处获得所需的信息；也可通过响应其所接收到的消息，完成一定的 操作，为其它对象提供服务。消息统一了知识流和控制流，是系统中对象( 类) 产生联系的纽带。 2 1 2 面向对象方法的基本特征 1 封装是把过程和数据封藏起来，使一种信息隐蔽技术，用户只能通过 操作借e l 访问对象。封装的目的在于将对象的设计者和使用者分开，这样使用 者只需按照设计者提供的协议来访问对象，不用了解具体的实现细节。封装还 保证了模块的独立性，使程序维护修改较为容易。 2 继承继承性是自动地共享所有上层类及其对象的数据和方法的机制。 继承提供了一种明确表述共性的方法，允许和鼓励类的重用。对象的新类可以 从现有的类中派生出来，即类继承，继承性很好地解决了软件的可重用性问题。 3 抽象抽象是指选择一个主题中与当前目标有关的方面，忽略与当前目 标无关的那些方面。它不用了解全部问题，而是选择其中一部分，忽略掉与主 题没关系的细节。抽象包括过程抽象和数据抽象。 4 多态性是指相同的消息可被同时传送给父类和子类对象，从而激发不 9 同的对象行为，多态性使得和对象类可根据自身属性重新定义其重名行为，方 便和简化了系统逻辑模型的建立和行为刻画。 5 动态束定是指只有在程序运行时，才能根据接收消息的动态对象的类 型，自动束定消息的响应行为。它是面向对象编程最富魅力的特征。动态束定 虽然运行效率稍低，但由于使用机器替代人进行对象行为的甄别和确定，大大 降低了软件设计人员的工作强度和难度，适应了现代软件对可重用、可修改以 及可扩充等方面的要求。多态性和动态束定是两个密切相关的特征，前者是后 者的基础，后者是前者实用化的保证。 2 1 3 面向对象程序设计的优点 面向对象方法编程过程中使人们与实际的世界更加接近，所有的对象都被 赋予属性和方法。面向对象为软件产品扩展和质量保证中的许多问题提供了解 决办法。其主要的优点有以下几个方面【4 4 】： 1 - 通过继承，我们可以大幅减少多余的代码，并扩展现有代码的用途； 2 维护简单，我们可以在标准的模块上构建我们的程序，而不必一切从头开 始。这可以减少软件开发时间并提高生产效率； 3 数据隐藏的概念帮助程序员们保护程序免