（航空宇航制造工程专业论文）基于特征与知识的航空钣金快速设计系统的研究与开发.pdf

j n a 坷i n gu i l i v e r s i t yo f a e r o n 删c s 赳l d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a l l i c a la n de 1 e c t r i c a le n 舀n e 耐n g r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f r a p i dd e s i g n s y s t e mf o ra e r o s p a c e s h e e tm e t a lb a s e do n f e a t u r e sa n dk n o w l e d g e an e s i si i l a e r o n a u t i c a la n da s 仃o n a u t i c a ls c i e l l c e 肌dt e c l l i l 0 1 0 9 y b y q i nh a if e n g a d v i s e d b y h u 锄gx i a i l g s u b h l i t t e di np a n i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e i n e n t s f o rm e d e 伊e eo f m a s t e ro fe n g i n e 嘶n g j a i l u a 2 0 1 0 承诺书 本人声明所呈交的博士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。除了文中特别加以标注和致谢的地 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 包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内 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承诺书) 作者签名：友逸逢 日 期：五虹丑牡 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 航空钣金零件是飞机机体的重要组成部分，是飞机设计制造及获得较高结构效率和优良性 能的基础。传统航空钣金设计以几何为操作对象，无法有效的集成设计知识，过多依靠人工来 输入和处理一些设计信息，重复工作量大，严重影响了设计效率。为此，本文研究了基于特征 与知识的航空钣金快速设计技术，并在c a t i a 平台上开发了基于特征与知识的航空钣金快速设 计系统，论文主要内容包括以下几个方面： 1 ) 研究了基于特征的参数化设计技术，并以航空钣金特征作为参数化对象，提高了参数化 设计的适用范围，突破了传统参数化设计的局限： 2 ) 制定了航空钣金特征分类及描述的一般原则，在i u d f 和c a t a l o g 等接口的支持下，建 立了具有筛选功能的参数化特征库，实现了对需求特征的快速访问； 3 ) 研究了特征与知识的融合技术，建立了彼此的映射关系，通过设计表的应用及数据接口 程序的编写，使参数化特征与设计知识相关联形成广义知识库，并将此知识库作为设计依据， 实现了航空钣金设计知识的继承； 4 ) 研究了设计特征的可制造性评价技术，制定了可制造性评价的基本方案，结合c a t i a 专家系统对航空钣金特征的设计参数进行检测，确保设计的准确性； 5 ) 基于以上研究成果，开发了基于特征与知识的航空钣金快速设计系统，并将其应用于成 都某飞机设计研究所的型号设计中。应用表明，使用该系统进行设计，提高了设计质量和设计 效率，使设计更加规范。 关键词：知识工程，参数化设计，特征库，标准文件库，钣金设计 基于特征与知识的航空钣金快速设计系统的研究与开发 a b s t r a c t t h e r 0 s p a c es h e e ti l 地t a lp a n sw h i c hm a k eu p 锄i i i l p o l t a i np a no f 吐l ea i i 姗ea r et h eb a s i so f d e s i g n ，m a n u f a c t l l r e 锄d 曲慨i i l 廿1 eh i 曲s n m c t l l 他e 伍c i 吼c y ，f i n ep e r l 0 r m 锄c eo f 斌r a 矗硼：l e 跏i t i o m ld e s i 弘f 0 i a e m s p a c es h e e tm e 诅lt a l ( e sn l eg e 伽耐r y 舔t 1 1 e 叩e r a t i 伽o b j e c t ，c 伽踯q u e n 廿y i t s 蚰曲l et oi n t e 耐em ed e s i 印k w l e d g ee 髓c h v e l y ，i na d d i t i o n ，舔a s u l to fd e p e n d i n gt i m u c h a n i f i c i a lt oe n t c ra 1 1 dp r o c e 鼹i 1 1 l = b n m t i o n ，a1 0 to fd u p l i c 鲥锄o fw o r kn e e dt 0b ed o m ， s e r i o u s l ya 位c tn 圮e m c i e n c yo fm ed e s i 弘1 1 鹏，w i m 圮a p p l i c a t i o no fk n o w l e d g eb 雒e d e n g i i l e e m g ，i n e r o s p 孔es h e e tn 抡t a ld e s i g nt e c l l i l o l o 西e sb 舔e do n 向重t l l r e sa n dl c i l o w l e d g ea r e r e s e a r c h e d ，a n dad e s i 印s y s t e mf 0 r r o s p a c es h e e t 嫩t a lb 勰e do nf e a t u 陀s 锄dh o w l e d g ei s d e v e l 叩e d c a t 认p l a t 细氇1 1 1 e 腿i l lw o r ko f t l l i sp 印e r 勰弱f o l l o w e d ： 1 ) p 撒m e t r i cd e s i 印t e c h n 0 1 0 9 yb 勰e d f e a t u 北si sr e s e a r c h e d ，删i l 【i n gm e 搬0 s p a c es h e e t n l e t a ls t a n 埘f e a 眦s 鹊p 舢e t r i co b j e c t s ，e x p a n d st h es c o p eo fa p p l i c a t i o n ，a n db r e a l 岱t h e l i l i l i t a t i o 璐o f 衄d i t i o n a lp 砌哪e t r i cd e s i 印 2 ) g 饥e m lp 咖c i p l e so fc l 弱s i f i c a t i o n 锄dd e s c 却t i o no ft l l ea 锄s p a c es h e e t 赋t a lf e a t u r e s 哦 d e v e l o p e d u n d e r 吐l es u 】p p o no fi m e r f a c e 蚰c h 躯i u d fa i l dc a t a l o g ，e t c ，ap a m i n e t r i cf e a n 鹏 l i b m r yw m ls c r e e i l i n gf h l l c t i o ni se s t a b l i s h e dt or e a l i f 奴a c c e s st 0d e m a n df e a t i l r e s 3 ) f 憾i o nt e c l l i l 0 1 0 9 yo f 危a t i 鹏a n dk n o w l e d g ei sr c s e 撒h e d 觚dt l i em a p p i i l gr e l a i i o 嬲a r es e t u p p 娥衄e t r i cf e a t u r ei s 獬0 c i a t e d 、加吐ld e s i 弘h o w l e d g eb yd e s i 朗t a b l e 觚dd a t ei n t e 血c et 0 f 0 】【了1 1ag 锄e m l i z e dh o w l e d g eb 觞e ，锄d 廿1 a 如c c e s s i 锄o f a 蹦) s p a c es h e e tm e 翻d e s i 印k w l e d g e b yt a l 【i 1 1 9 l i sd 妯舔e 勰m e b 嬲i so fd e s i g ni s 1 1 i e v e d 4 ) t h et e c l l i l o l o g yo fm 粕u f a c t l l r 曲i l 时e v a l u a t i o fd e s i 印f e a n 玎ei sr e s e a r c h e dt 0w 0 诎o u ta b 弱i cs c h e m eo fe v a l u a t i o n ；c a t 队e x p e ns y s t e mi sl l s e dt oc h e c kt l l ed e s i 朗p a r 姗e t e 璐o f 跏s p a c e s h e e t 舭t a li l lo r d e rt or e a l i z es y i l c h 删z e df e e d b a c ko f 砌m i o nt oe n 乳玳t l l e c u r a c yo fd e s i 印 5 ) a 忍p i dd c s i 盟s y s t e mf o ra e r o s p es h e e tm e t a lb 舔e do n 如a t l 鹏s 锄dk n o w l e d g ei s d e v e l o p e db 硒e d0 na _ b o v er e s e a r c h e s ，觚da p p l i e di i la i l m f ts 咖c t l l 】同d e s i 印i i lc h e n g d ua i l - c r a f t d e s i 印i l l s t i t i l t e ，i m p r o v e st h ed e s i 弘q l l a l 蚵锄de 伍c i e n c y m a k e s l ed e s i 印m o r es t 姐d a r d i z e d k i y w o r d s ：k n o w l e d g eb 跚de n g i n a 痂g p 獭m e t r i cd e s i 萨，f e a t 峨l i b 栩吼s 切n d a r df i l e l i b m s h e e tm e t a ld c s i 伊 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 引言1 1 - 2 基于特征与知识设计技术的现状1 1 2 1 知识工程概况1 1 2 2 参数化设计技术3 1 2 3 基于特征的设计技术5 1 3 航空钣金设计研究现状6 1 4 课题来源及研究意义7 1 5 论文研究工作及章节安排7 1 5 1 主要研究工作7 1 5 2 论文章节安排8 第二章航空钣金参数化特征筛选及导入技术研究1 0 2 1 概述l o 2 2 基于特征的航空钣金参数化设计l o 2 2 1 航空钣金特征的分类及描述1 0 2 2 2 航空钣金特征的参数化建模1 1 2 3 航空钣金特征属性信息的分类及编码1 3 2 3 1 属性信息分类原则1 3 2 3 2 航空钣金特征属性信息编码1 4 2 4 航空钣金特征筛选及导入技术1 5 2 5 本章小结1 7 第三章航空钣金特征与知识融合技术研究1 8 3 1 概j 苤1 8 3 2 航空钣金特征与知识的映射1 8 3 2 1 映射的基本概念1 8 3 2 2 映射结构的建立1 8 3 3 知识工程应用1 9 3 3 1 航空钣金设计知识获取2 0 3 3 2 航空钣金特征与知识的管理2 2 基于特征与知识的航空钣金快速设计系统的研究与开发 3 3 3 航空钣金设计知识的推理表达2 3 3 3 4 系统知识库的建立2 5 3 4 融合技术的具体实现2 6 3 4 1 参数化特征的知识继承2 7 3 4 2 参数互定型特征的知识重载2 8 3 4 3 参数非互定型特征的知识查询及显示2 9 3 5 本章小结2 9 第四章航空钣金特征可制造性评价技术研究3 0 4 1 概述3 0 4 2 可制造性研究现状3 0 4 3 可制造性设计评价内容3 1 4 4 航空钣金特征可制造性评价3 1 4 4 1 基于约束规则的可制造性评价3 l 4 4 2 基于模糊综合评判的可制造性评价3 3 4 4 2 1 单级模糊综合评判3 4 4 4 2 2 多级模糊综合评判3 4 4 5 专家系统在航空钣金可制造性评价中的应用3 5 4 5 1 可制造性检测的创建3 5 4 5 2 检测信息的发布3 6 4 6 本章小结3 7 第五章航空钣金快速设计系统的开发3 8 5 1 概述3 8 5 2c a t i av 5 平台简介3 8 5 3 系统开发工具3 8 5 3 1c 从简介4 0 5 3 2a u t 伽a t i o n 简介4 1 5 3 3k n o w l e d g e w a r e 简介4 2 5 3 4i u d f 简介4 3 5 4 系统实现4 3 5 4 1 软件简介4 4 5 4 2 特征导入4 5 5 4 3 标准文件导入4 6 南京航空航天大学硕士学位论文 5 4 4 参数查询及显示4 7 5 4 5 参数快速变更4 8 5 4 6 参数可制造性检测5 1 5 5 系统运行实例5 1 5 6 本章小结5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 总结5 3 6 2 展望5 3 参考文献5 5 致谢5 9 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 0 v 金快速设计系统的研究与开发 表清单 图2 1 航空钣金特征参数特性及分类l l 图2 2 航空钣金特征归类1 1 图2 3 定位依据选取1 2 图2 4 几何建模1 2 图2 5 参数化实例1 3 图2 6 航空钣金特征属性信息的层次结构1 5 图2 7i u d f 特征创建1 6 图2 8c a t a l o g 目录结构1 7 图3 1 特征与知识的映射1 9 图3 2 知识嵌入型型材开口实例2 0 图3 3 板材零件下陷2 1 图3 4 板材最小弯曲半径2 1 图3 5 橡胶压制凹弯边高度2 2 图3 6 橡胶压制凸弯边高度2 2 图3 7c a t 队中知识信息的管理2 3 图3 8 加强槽尺寸换算2 4 图3 9 广义知识库的构成2 6 图3 1 0 系统知识信息传递2 7 图3 1 1 参数化特征的知识继承2 8 图3 1 2 参数互定型特征的知识重载2 8 图3 1 3 参数非互定型特征的知识查询及显示2 9 图4 1 金属结构减轻孔c 从检测3 2 图4 2 可制造性检测的创建3 6 图4 3 检测信息的发布3 6 2 3 4 5 8 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 1c a t i a 四种二次开发方式的适用范围对比3 9 图5 2c a t i a 四种二次开发方式的技术难度对比3 9 图5 3 弛系统结构4 0 图5 4a u t o m a t i o n 系统结构4 1 图5 5 系统总体框架4 4 图5 6 软件功能概览4 5 图5 7 特征加载4 6 图5 8 特征导入4 6 图5 9 标准文件导入4 7 图5 1 0 参数查询及显示4 8 图5 1 l 型材开口4 8 图5 1 2 型材开口参数重置前4 9 图5 1 3 型材开口参数重置后4 9 图5 1 4 加强槽5 0 图5 1 5 加强槽参数重置前5 0 图5 1 6 加强槽参数重置后5 0 图5 1 7 型材开口参数修改5 1 图5 1 8 型材开口可制造性检测5 l 图5 1 9 航空钣金快速设计系统运行实例5 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着数字化设计制造技术的不断发展，c a d c 圳c a p p 等软件已成为航空产品设计和制 造的主要工具，与此同时，在实际工程应用中发现：支持几何设计的通用c a d 软件已难以满 足现代航空企业对产品创新设计的迫切需求，企业需要面向行业的设计平台。为了进一步提高 企业的运作效率、生产效益和市场竞争力，加快制造模式的现代化，越来越多具有针对性的设 计平台被开发并应用，尤其以现有c a d 系统为基础，结合现代航空企业需求，开发行业知识 嵌入的三维c 如系统，成为当前c a d 应用的潮流。 我国航空航天事业正处于飞速发展时期，在设计任务日益艰巨的同时设计要求也更为苛刻， 通用c a d 系统愈来愈显得无能为力，以航空钣金零件为例，其种类繁多、外形复杂多变，是 飞机结构的重要组成部分。框肋、蒙皮、整体壁板等钣金零件，占飞机零件总数的5 0 r 一7 0 ， 直接影响着飞机的寿命和性能，成为飞机结构设计的关键【1 捌。同时航空产品生产协作广泛，必 须使用相关标准，保证各生产部门的活动在技术上的高度协调和统一。然而现有的设计系统无 法将设计知识有效地融入设计过程，过多依靠人工来处理设计信息，大量的查阅标准及重复建 模工作严重影响了设计效率。由此可见，航空钣金快速设计系统的研究与开发有着十分重要的 现实意义和实用价值。 1 2 基于特征与知识设计技术的现状 1 2 1 知识工程概况 美国斯坦福大学计算机科学系费根鲍姆( e a f e i g e n b a l 】1 1 1 ) 教授于1 9 7 7 年第一次提出“知 识工程的概念，它的出现改变了传统的知识记载和传播的方式。知识工程( k b e ：k n o w l e d g e b 弱e de n g i n e e r i l 玛) 是一个非常广泛的概念，迄今为止尚无一种公认的、完备的k b e 定义。欧 洲面向k b e 应用的方法和软件工具研究联盟提出：l ( 1 强是计算机辅助工程领域的一个进步， 它是一种面向对象( o b j e c to r i e n t e dm e m o d s ) 、a i 和c a d 技术三者集成的工程方法，能够给设 计过程提供客户化，变量化和自动化的解决方案【3 1 0 英国c o v e n 锣大学l ( i 地中心认为：疆是 一种基于产品模型的计算机系统，它能够存储并处理与产品模型有关的知识，是目前促进工程 化、实用化产品开发的最值得关注的软件方法f 4 5 】：英国c 删m e l d 大学的h u i l l ml i 博士认为 l ( i 也是一种特殊类型的基于知识的系统，它专注于工程设计和后续的制造、销售等活动【叼：美 国w 础l i i l 昏o n 大学机械工程系的d a l ee c a l i i l s 教授认为k b e 是一种设计方法学，将与下一 积累和存储的，并以计算机作为中介，l ( 1 强通常是指使用一些计算机系统，如专家系统、基于 网络的知识【s 】o 综合上述定义，l ( b e 对知识的处理过程可由图1 1 表示： 决策研发生成销售客服 图1 1 知识处理 k b e 技术涉及现代设计方法学、人工智能、专业知识等多学科领域，因此其关键技术极多， 实际应用中人们对知识工程的理解可分为以下三部分【9 】： ( 1 ) 知识获取：就是从人类专家获取领域知识； ( 2 ) 知识表示：主要研究以何种方式将解决问题所需的知识存储于计算机中，便于计算机 处理： ( 3 ) 知识推理：从事例库中提取相似的案例进行设计，也就是知识的运用。即从已有的知 识中推导出所需要的结论和知识。 从本质看，知识工程的目的是技术再利用，即将知识创造性地应用到工业产品的设计开发 及生产制造过程中，充分利用各种实践经验、专家知识等信息，产生以知识驱动为基础的工程 设计新思路。如今知识更多的被理解为是一种数据结构，应用所定义的计算机语言( 符号) 来架 构人类的各种概念及概念间的关系。知识工程在一个工业产品开发生命周期的每个阶段，以知 识的再利用为，这些“知识的存在形式主要有：电子计算表格( s p r e a d s h e e t s ) 、手册、工程计 算公式、专用软件、设计人员的主观判断和经验【1 2 】。根据d e l p l l i g r 0 叩的调查显示，企业知 识中4 2 是存在于员工头脑中的隐性知识，另外2 6 为纸质文档，2 0 为电子文档，1 2 为电 子知识库，其比重关系如图1 2 所示。知识工程的意图是构建工程自动化系统，当解决方案需 要将产品配置( c o 皿删o n ) 、工程演算( e n 蛳e 血妒、几何模型构建( g e o m e 缸y ) 三方面结合 时，知识工程是最有效的方案。在知识工程中，知识是驱动力，几何模型构建是由产品配置和 工程演算规则驱动的。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 2 0 融獭囵 性知识 2 6 纸质文档 口电子文档 口电子知识库 图1 2 企业知识结构 k b e 在工业领域的应用研究始于2 0 世纪8 0 年代，主要应用于飞机制造业、汽车制造业、 工业设计和建筑业。美国、日本、欧洲各国政府对姬技术的开发与应用方面都给予了有力的 支持，并且将其列为国家未来发展战略的核心技术。我国政府也对k b e 技术的研究给予了很大 的重视，并将k b e 技术列为机械十五重点学科之一，国内的一些大学、研究所也有一批科技人 员较早地开展有关知识工程的基础性研究。如中国科学院、南京大学、上海交通大学、吉林大 学、清华大学等，都对k b e 做了一定的理论研究并在实际应用中取得了一些成果。 知识工程的应用领域极其广阔，尤其是与c a x 系统相结合，已被广泛应用到设计的各个 环节，并展现出其显著的优势： ( 1 ) 帮助企业把规范的设计信息、最优的设计方法和流程等隐含知识转化为正规的显式的 知识。将“知识”以多种形式进行表示，企业的这些智能资产被封装为产品设计模板直接使用， 一方面应用了企业的最佳设计经验，另一方面也保护了企业的智能资产。 ( 2 ) 给企业提供了在产品全生命周期都可以捕捉与重用企业知识的能力，使所有相关技术 人员都可以在产品开发过程中高效利用相关知识。 这种独一无二的知识驱动以及产品设计方法，不仅适用于产品造型阶段，还适用于从设计 分析到制造，从单个零件的设计到整个产品的电子样机，这在设计效率上远远超过了传统的计 件系统，使产品开发过程中涉及到的多学科知识有机地集成在一起，从而带动企业相应各部门 间的紧密联系以及产品信息共享，更好地支持了并行工程和协同设计能力。 1 2 2 参数化设计技术 参数化研究最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代，s u 廿l e 订a n d 在其开发的s k e t c h p a d 系统中，首 次将几何约束表示为非线性方程组来确定二维几何形体的位置，7 0 年代末到8 0 年代初，英国 和美国率先将参数化设计应用于c a d 设计【协1 刀。参数化设计技术在解决二维绘图以及三维造 3 基于特征与知识的航空钣金快速设计系统的研究与开发 型建模的问题上表现出很大的优势，在零件设计中发挥着巨大的作用。 参数化设计( p a 删n e t r i cd e s i 驴) 也叫尺寸驱动( d i m e 璐i o nd r i v e n ) ，工程应用中参数化设 计是指当参数与设计对象的控制尺寸有显式对应时，用参数约束该几何图形的一组结构尺寸序 列，当赋予不同的参数序列值时就可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含设计信息 的模型【l ”3 1 。参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段，用户可利用已 有模型方便地创建新模型，并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型，生成系列产品。r 参数化设计过程如图1 3 所示： 图1 3 参数化设计过程 参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使c a d 系统具有交互式绘图 功能，还具有自动绘图的功能。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，使设计采用累 积的知识和经验，减少设计人员在设计中因个人知识的局限性而造成的错误，避免重复建模工 作，提高设计速度。参数化方法的本质是基于约束的产品描述方法，产品整个设计过程就是约 束规定、约束变换求解过程以及约束评估过程的求精洲，目前参数化技术的实现大致有以下几 种方法： ( 1 ) 基于几何约束的数学方法( 变量几何法、数值求解法、数值迭代法) ； ( 2 ) 基于几何原理的人工智能方法( 几何推理法或称规则法) ； ( 3 ) 基于图论的约束求解方法； ( 4 ) 基于特征模型的造型方法( 基于构造过程的结构历程法) ： ( 5 ) 基于辅助线法。 参数化设计可以大大提高模型的生成和修改速度，在产品的系列设计、相似设计及专用 c a d 系统开发方面都具有较大的应用价值。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 3 基于特征的设计技术 特征一词最早出现于美国麻省理工学院的g o s s a r dd c 教授指导的论文“c a d 中基于特征 的零件表示”中【2 5 1 ，特征的表述不一，但具有以下特点【2 6 】：( 1 ) 具有一定的几何形体；( 2 ) 是 产品信息的携带者；( 3 ) 具有工程意义：( 4 ) 具有严格的性质。工程设计中将特征定义为携带 某些工程信息的几何，概念上人们更倾向于将特征理解为零件所有描述信息的集合。特征在设 计过程中起着至关重要的作用，设计过程是一个由简到繁的渐进过程，也是在各种约束下的反 复修改调整的优化过程，特征不仅是工程信息的携带者和输送者，而且可以胜任系统对它的分 解组合、信息补充和调整、簇化、序列化处理，从而使设计与制造真正结合起来。特征的概念 和技术直到8 0 年代后期才为人们广泛接受，并蓬勃发展起来【1 7 】。 基于特征的设计( f e a n 珊b a dd e s i 弘) 简称特征设计，旨在解决传统的c a d 和绘图系统 不能有效地同设备制造c w 和规划系统c a p p 相集成的问题，是实现c a d c a m 集成、面向 制造的设计( d f m ，d e s i 印f - 0 rm a 肿f a c t u 血g ) 、并行工程( c e ，c c u 玳m te n g i l l e e 渤g ) 等先进 设计制造技术的重要手段，能有效地将产品制造及工艺规划等相关知识嵌入设计产品【2 ”o l 。其 设计流程如图1 4 所示。首先根据产品的功能形状预先定义一些可被加工的几何形体，包括主 特征、细分特征等，在此形体上进行特征映射、工艺规划，加入相关信息。特征按参数化的方 法进行设计，使零件的几何信息与非几何信息有效地融入同一个三维模型之中；非几何信息则 需开发或利用相应的程序进行文件和数据的管理，其优势在于可以一次性输入零件的几何及非 几何信息，提高设计产品的知识嵌入能力。 产品布局与概念设计 措征 勺 + 细分特征 特征映射 工艺规划 评价、完成产品设计 图1 4 基于特征的设计 5 基于特征与知识的航空钣金快速设计系统的研究与开发 基于特征的设计在不同的应用环境下对特征有着不同的要求，因此，产品特征模型建立时 要全面考虑零件的各种信息。总之，特征设计是一个复杂的过程，不仅要考虑设计对象的功能、 形状和精度，而且要考虑加工装配因素、价格及寿命。基于特征的设计在提高设计效率的同时 有着传统设计所不能比拟的优势： ( 1 ) 在设计阶段，充分考虑制造过程对零件的要求，有利于提高零件的设计质量，避免出 现设计与制造环节间的反复。 ( 2 ) 面向制造的设计可为零件提供充足的信息供制造使用，有助于设计制造间无图纸化操 作的实现。 ( 3 ) 有利于实现产品设计知识的继承，增强产品设计的规范性。 但是，要充分发挥特征设计的作用仍需解决以下问题：特征定义、特征表达、特征约束、 特征标准化、特征语言、特征合法化、特征设计与应用之间的连接、特征设计的智能化以及特 征识别过程的优化和可靠性等等【1 阳6 】。随着c 觥a m 肥a p p 技术及相关理论的不断成熟，基 于特征的设计一定会在产品设计领域发挥其重要作用。 1 3 航空钣金设计研究现状 目前市场上已有很多钣金结构设计软件，如c a t 认、u g 、p - o l 三n g 矾e e r 、s o l i d w 6 r i 【s 、 s o l i d e d g e 、t 0 p s o l i d 、h l 、，e n t o r 、m d t 和a u t 0 c a d 等，其中c a t i a 、u g 等大型软件更是开发了 通用的航空钣金设计环境及设计工具。但由于航空钣金产品结构多变、设计规范，需在大量行 业标准的支持下进行设计，现有的软件大多以几何设计作为重点，缺少对已有设计知识的融合， 有限的知识工程接口及特征化建模只能实现数据导入、特征定义等操作，缺乏针对性，无法满 足企业的设计需求。为此，需要在已有的设计平台上开发知识嵌入型的航空钣金设计系统，实 现行业知识与产品设计的有机结合。 航空钣金设计是一个知识密集型的过程，通过重用企业在工程实践中获得的知识可以提高 工程设计的效率和智能程度。知识工程作为知识重用的一个重要设计体系，能够在航空钣金设 计过程中实现知识的继承，在提高设计效率的同时使设计的更为规范。然而实际设计过程中仍 面临着许多其它的问题，当设计任务较大时，设计更改成为一个难题。知识工程在实现知识继 承的同时对设计具有一定约束性，当更改发生时，已形成的尺寸结构和内部关系产生了变化， 导致由知识工程所建立的知识继承体系被部分或全部破坏，加大了设计修改的负担。 参数化设计的使用能够很好的解决设计修改所产生的问题，其特有的参数驱动机制以图形 数据的操作为基础，可以对图形的几何数据进行参数化修改，与知识工程结合后能在一定程度 上实现设计的快速更改，且更改后的设计仍具有知识的继承性。然而参数化设计的局限性制约 了其在钣金设计领域的推广：当主约束较多时，参数化修改较为繁琐；参数化过程因人而异， 6 南京航空航天大学硕士学位论文 无法有效地进行协同设计；仅适用于产品的系列设计、相似设计，对约束元素有较大差异的设 计更改无能为力。 基于特征的设计旨在实现产品制造和工艺规划等知识的继承，增强产品设计的规范性，已 经成为钣金设计系统一个新的研究方向，但基于特征的设计在实现设计制造知识融合的同时缺 少现有系统的自动化支持，现有的软件无法实现完全自由的特征搭接，致使其更多的作为设计 理论来指导设计。 总体而言，现有的许多面向设计方法正渐渐地被航空钣金设计所采用，但均未能完全解决 设计过程中出现的诸多问题，如何将各种设计的优势整合，成为航空钣金设计技术突破性发展 的关键。以高效快捷为前提全面实现知识继承，必将成为航空钣金设计技术研究的新趋势。 1 4 课题来源及研究意义 本课题来源于南京航空航天大学与成都某飞机设计研究所合作开发的“基于特征与知识的 航空钣金快速设计系统”项目。 航空钣金设计是飞机结构设计的关键，现有的设计系统存在着许多设计上的问题：( 1 ) 过 多的依赖于人工输入和处理一些设计信息，同时设计信息的获取需要查阅大量的资料，重复工 作量大；( 2 ) 设计以几何为操作对象，缺少设计知识的继承，且设计因人而异，无法实现设计 的规范性：( 3 ) 设计更改不便，往往需从资料的查询开始并重新进行几何设计，更改任务繁重 的同时仍无法彻底保证设计的准确性。 现有的钣金设计技术不能很好的解决实际设计过程中所遇到的诸多问题，在获得某些设计 性能提升的同时存在着技术的局限性。本文在研究知识工程、参数化设计、基于特征设计等技 术的基础上，总结分析其优缺点，通过对c 衄 i a 平台及相关接口编程深入研究，开发了“基于 特征与知识的航空钣金快速设计系统”，大幅提高了设计效率，实现了设计知识的继承，且设计 后的特征在保持知识继承的同时具备参数化修改的特性，使设计更加规范。 1 5 论文研究工作及章节安排 1 5 1 主要研究工作 本文主要解决传统航空钣金设计效率较低、设计知识难以继承的问题。航空钣金设计标准 众多、查询繁琐，且部分参数需要进行几何换算。为此，研究工作主要致力于将这些设计标准 转化为可直接使用的设计信息，并通过用户的简单操作完成信息的提取与调用。由标准转化而 来的可用信息包括：参数化特征、数据表格、以及转化后的其它特征数据。由于设计的最终目 的是实现制造，因此还需要对所设计的航空钣金特征进行可制造性检测，对不合理的参数设置 进行反馈。上述技术的实现需解决如下问题： 7 1 5 2 论文章节安排 全文以系统开发过程中所研究的技术内容为主线，结构如图1 5 所示： 的导 计平 的制 确的 图1 5 论文章节安排 第一章：首先简要介绍了c a d 应用的现状，并阐述了航空钣金件在飞机结构设计中的重 要性及现有设计中所存在的问题，指出开发行业知识嵌入的航空钣金设计系统的必要性。接下 来综述了钣金设计的研究现状及不足，并指出了系统研发工作可能出现的一些问题，最后介绍 了课题来源及研究意义并给出了论文内容及章节安排。 第二章：将航空钣金特征按参数特性分类并进行参数化建模，为实现特征与知识的融合提 供模型基础。进一步研究了特征属性信息的描述及编码技术，为特征导入提供筛选依据。最后 结合当前设计平台给出特征筛选和导入的具体方法。 第三章：首先研究了航空钣金特征与知识的映射，以此保证系统在调用特征时能够正确获 取所需的设计知识。其次通过知识工程的应用解决不同类型的航空钣金设计知识的获取、管理、 表达和建库问题，并结合设计平台进行实际操作。最后根据航空钣金特征参数特性的不同，给 8 南京航空航天大学硕士学位论文 出不同的与知识融合的方法，实现知识的再利用，。 第四章：快速设计旨在缩短设计周期，其最终目的是面向制造，为此需要对所设计航空钣 金特征进行可制造性评价。首先简要介绍了可制造性现状和评价的内容，然后通过具体的方法 及理论研究对可制造性评价进行系统分析，最后结合专家系统实现对航空钣金特征可制造性的 定性分析。 第五章：首先简要介绍c a t 从平台及开发工具，然后提出了基于特征与知识的航空钣金快 速设计系统的框架，开发了知识嵌入型的航空钣金快速设计系统。通过系统的实际操作，展示 各功能模块，最后给出运行实例。 第六章：总结全文，指出了目前研究的不足，并对今后的研究工作进行了展望。 9 基于特征与知识的航空钣金快速设计系统的研究与开发 第二章航空钣金参数化特征筛选及导入技术研究 2 1 概述 航空钣金参数化特征筛选及导入技术以航空钣金特征的提取和调用为目的，分三个步骤加 以实现：( 1 ) 研究基于航空钣金特征参数特性的分类，并引入参数化设计方法，通过该方法获 取快速设计所需的参数化特征，这些特征是设计数据库的重要组成部分；( 2 ) 对航空钣金参数 化特征的属性信息进行描述，并将这些属性信息作为筛选依据；( 3 ) 实现航空钣金特征筛选的 人机交互，通过用户输入少量的信息提取需求特征和设计知识并导入到当前设计。 2 2 基于特征的航空钣金参数化设计 基于特征的航空钣金参数化设计将基于特征的设计与参数化设计有机的结合起来，以尺寸 驱动或变量设计的方法对航空钣金特征进行描述，使特征本身具有参数化变动所需的成员变量 和成员函数。因此，产品结构、尺寸、特性可以根据需求调整、变化。基于特征的航空钣金参 数化设计中参数化的对象从原先的设计产品转向设计特征，由于这些特征均来自设计经验及生 产实践，因此参数化对象的设计确定性更强，在此基础上拓展了参数化设计的适用范围，突破 了传统参数化设计的局限性。 2 2 1 航