復(fù)合材料計(jì)算機(jī)輔助成型工藝設(shè)計(jì)的研究

寇媛媛

( 西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710055)

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、良好的電磁性能與吸波隱身功能、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成型的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)［1-2］，所以在航空航天等高科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。另一方面復(fù)合材料的各向異性確定了復(fù)合材料設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，其復(fù)雜性相應(yīng)地使復(fù)合材料制造成本居高不下，從而又制約了它的廣泛應(yīng)用。目前先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的價(jià)格約為金屬結(jié)構(gòu)價(jià)格的2 倍［3］。為降低復(fù)合材料的成本，必須實(shí)現(xiàn)材料成本、成型加工成本和裝配加工成本等所有構(gòu)成因素的低成本化，其中關(guān)鍵是成型加工時(shí)的低成本化。

本文針對(duì)復(fù)合材料成型工藝參數(shù)種類多、數(shù)據(jù)多、成型工藝缺少定量的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、不能利用以前的知識(shí)以及數(shù)據(jù)不能共享等問題，結(jié)合航空企業(yè)復(fù)合材料成型的實(shí)際情況，開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助復(fù)合材料成型工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累與共享，幫助工藝人員更快、更好地完成工藝設(shè)計(jì)任務(wù)，從而達(dá)到選擇最佳的成型工藝方法，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的成型加工成本的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成

復(fù)合材料成型工藝方法主要有手工鋪放、纖維纏繞、模壓成型、拉擠成型等，在工藝過程中涉及到的數(shù)據(jù)參數(shù)分為材料、模具、成型工藝參數(shù)等。采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)建立了C/S 結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料成型工藝平臺(tái)，其具體的邏輯層次如圖1 所示。

圖1 基于模板的系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.1 Based on the template system data structure as a whole

復(fù)合材料輔助成型工藝系統(tǒng)由構(gòu)件信息輸入，基于特征的相似實(shí)例推理、檢索、修改，工藝方法選擇，工藝參數(shù)管理，模具參數(shù)管理和材料管理組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 復(fù)合材料輔助成型工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.2 Composite auxiliary molding process system design

2 輔助工藝選擇

復(fù)合材料構(gòu)件可以采用多種成型工藝來制造，對(duì)特定的一個(gè)構(gòu)件，最優(yōu)的成型工藝的選擇依賴于性能要求、生產(chǎn)批量、質(zhì)量要求以及構(gòu)件的形狀等因素［4］。所有這些因素必須在復(fù)合材料構(gòu)件研制的初期得到正確的考慮。

目前聚合物基復(fù)合材料的成型方法已有20 多種，并成功地用于工業(yè)生產(chǎn)［4］。本文中主要研究自動(dòng)鋪帶、纖維纏繞、手工鋪放外加室溫固化、RTM 成型即樹脂轉(zhuǎn)移模塑(Resin Transfer Molding)、拉擠成型、模壓成型和噴涂成型7 種常用的成型方法的相關(guān)知識(shí)。每一種成型方法都有一定的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，例如RTM 成型在裝入增強(qiáng)材料的封閉模具中，壓入樹脂，然后固化成型。這種方法成型出來的構(gòu)件表面光潔，生產(chǎn)效率較高，適用于中等批量的生產(chǎn)。又如模壓成型，在閉模中壓實(shí)預(yù)成型體，并在壓力下進(jìn)行固化，這種方法常用于制造大批量、高質(zhì)量的構(gòu)件，但由于使用閉合的模具，固化后構(gòu)件的修剪需要較大的壓力使該工藝成本高，并且很難制造鋪層連續(xù)遞減的構(gòu)件。

復(fù)合材料構(gòu)件成型方法的選擇是根據(jù)定性的經(jīng)濟(jì)因素和與構(gòu)件自身相關(guān)的因素，對(duì)幾種成型工藝進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而選擇特定情況下，特定構(gòu)件的最優(yōu)成型工藝。定性的經(jīng)濟(jì)因素包括生產(chǎn)量、工裝成本、操作復(fù)雜性，與構(gòu)件相關(guān)的因素包括構(gòu)件尺寸、形狀復(fù)雜性、表面光潔度和性能要求。通過上述因素來表征某種成型工藝支持或不支持某種特定的生產(chǎn)條件，在進(jìn)行匹配時(shí)，所有因素綜合起來得到的數(shù)值高低說明了某種成型工藝對(duì)某種生產(chǎn)條件的支持程度。

設(shè)計(jì)人員根據(jù)上述條件，初步確定復(fù)合材料構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)因素和構(gòu)件自身因素，針對(duì)每種成型工藝，其匹配值各不相同，此時(shí)應(yīng)根據(jù)綜合考慮各個(gè)因素的總值，來確定這種成型方法是否可行。最終確定某些成型工藝方法適合該構(gòu)件的成型，從而工藝設(shè)計(jì)人員可以初步確認(rèn)哪些工藝是符合經(jīng)濟(jì)因素和構(gòu)件性能要求，擇優(yōu)選取。這種輔助成型方法對(duì)工藝設(shè)計(jì)人員具有重要的指導(dǎo)性作用。

3 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 復(fù)合材料構(gòu)件基于特征的分類

復(fù)合材料成型工藝選擇是基于構(gòu)件自身的特征和經(jīng)濟(jì)因素，所以工藝選擇的問題就涉及到復(fù)合材料構(gòu)件的特征分類問題。不管是復(fù)雜還是簡(jiǎn)單的構(gòu)件，都可以把它劃分成最簡(jiǎn)單最基本的形狀組合體。故在本文中提出了對(duì)于航空航天異構(gòu)件基于特征的分類方法，按其幾何特征及性能要求進(jìn)行層層分解，直到分解到最基本的單元。

圖3 復(fù)合材料構(gòu)件特征分解Fig.3 Composite material component characteristics of decomposition

3.2 產(chǎn)生式規(guī)則的知識(shí)表示

在復(fù)合材料輔助成型工藝的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，其中較為困難的是工藝選擇部分，通常一個(gè)構(gòu)件有很多種不同的工藝選擇路線，怎樣通過一定的算法或推理選擇出最佳的成型工藝，使其達(dá)到最低的制造成本和最好的質(zhì)量狀況。以往這部分的知識(shí)大多為設(shè)計(jì)人員的積累經(jīng)驗(yàn)，不易收集為書面表達(dá)的數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)采用以基于產(chǎn)生式規(guī)則的知識(shí)表達(dá)來進(jìn)行推理，這也是專家系統(tǒng)為核心的智能型計(jì)算機(jī)輔助加工工藝系統(tǒng)里的一個(gè)核心理論。

按照所采用的知識(shí)表示，知識(shí)庫系統(tǒng)可以分為基于邏輯的知識(shí)庫系統(tǒng)、基于規(guī)則的知識(shí)庫系統(tǒng)、基于語義網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)庫系統(tǒng)以及基于框架的知識(shí)庫系統(tǒng)等。每一類型的專家系統(tǒng)都具有其特征。通過廣泛的調(diào)研，并結(jié)合復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用基于規(guī)則的知識(shí)表達(dá)，其具體原因分析如下:

(1)基于規(guī)則的知識(shí)庫系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:模塊化、一致性和自然性。同時(shí)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的技術(shù)也最為成熟。

(2)復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)過程中的知識(shí)需要表示、修改和增刪。基于規(guī)則的知識(shí)表示可很好滿足此項(xiàng)需求。

另外，由于在復(fù)合材料典型構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)過程，有豐富的知識(shí)可供歸納為規(guī)則，故以典型構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)過程的知識(shí)表示為突破口進(jìn)行知識(shí)的搜集和整理，存儲(chǔ)到系統(tǒng)中方便以后設(shè)計(jì)人員參考。

產(chǎn)生式表示法(規(guī)則表示法)的一般形式如P→Q，其中P 為前提或條件或狀態(tài);Q 為結(jié)論或動(dòng)作。產(chǎn)生式的每條規(guī)則是一個(gè)“條件一行動(dòng)”式，且各規(guī)則之間的相互作用(調(diào)用關(guān)系)不大。規(guī)則可簡(jiǎn)單地表示如下形式:

IF 條件1 AND 條件2 AND……AND 條件n THEN 斷言/動(dòng)作

例如:IF 纖維含量要求=高AND 樹脂粘度=高THEN 成型工藝=RTM 成型

產(chǎn)生式的IF(如果)部分稱為規(guī)則的條件部分、前提或產(chǎn)生式的左邊，各個(gè)條件由邏輯連接詞(合取、析取等)組成不同的組合，它說明若要應(yīng)用這一規(guī)則所必須滿足的條件。產(chǎn)生式的THEN 部分稱為規(guī)則的操作部分、結(jié)果部分或后項(xiàng)。

3.3 基于特征的實(shí)例推理

本文提出一種基于特征的推理模型，通過對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件成型工藝實(shí)例庫中對(duì)相似實(shí)例的推理檢索得到構(gòu)件的索引信息，復(fù)合材料構(gòu)件實(shí)例的檢索結(jié)構(gòu)分為3 級(jí)，如圖3 所示。

特征的檢索與匹配是實(shí)現(xiàn)推理的關(guān)鍵，根據(jù)典型構(gòu)件的特征信息檢索相似實(shí)例，再進(jìn)行相似實(shí)例的相似性計(jì)算得到相似度，相似度最大的一個(gè)即為最為接近的一個(gè)實(shí)例。復(fù)合材料構(gòu)件相似性計(jì)算分為數(shù)值、符號(hào)兩種類型。構(gòu)件的批量、幾何尺寸等數(shù)值類型屬性通過一定的數(shù)值計(jì)算公式獲得;性能要求、表面光潔度等屬性通過符號(hào)計(jì)算公式獲得?；趯?shí)例的復(fù)合材料構(gòu)件推理流程如圖4 所示，用戶首先錄入構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求，檢索實(shí)例庫并進(jìn)行相似度計(jì)算判別其相似性，若相似則修改該實(shí)例，直至滿意后將新的設(shè)計(jì)結(jié)果存入實(shí)例庫，若不相似則采用基于規(guī)則的設(shè)計(jì)進(jìn)行工藝選擇，最后將設(shè)計(jì)結(jié)果存入實(shí)例庫。在很多信息管理系統(tǒng)中實(shí)例檢索是非常重要的環(huán)節(jié)，它與系統(tǒng)采用的索引機(jī)制有密切關(guān)系。目前常用的實(shí)例推理方法分為兩類，即最近鄰居法和歸納法，本系統(tǒng)采用最近鄰居法，相似度的計(jì)算即是針對(duì)該檢索方法的。

圖4 基于特征的實(shí)例推理流程Fig.4 Based on the characteristics of case reasoning process

相似度計(jì)算實(shí)例調(diào)用前，首先根據(jù)“特征集”和“特征屬性集”進(jìn)行問題描述，形成“問題描述碼”實(shí)例檢索時(shí)通過比較“問題描述碼”，計(jì)算當(dāng)前設(shè)計(jì)問題與每個(gè)實(shí)例的相似度，得到“實(shí)例檢索值”，取“實(shí)例檢索值”最大并符合規(guī)則庫中的設(shè)計(jì)規(guī)則的前N條實(shí)例形成“實(shí)例集”。用戶根據(jù)實(shí)例預(yù)覽選擇“實(shí)例集”中最符合要求的實(shí)例作為設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，系統(tǒng)根據(jù)用戶的選擇動(dòng)態(tài)地調(diào)整相關(guān)特征的權(quán)重和相關(guān)特征屬性的相似度。

實(shí)例相似度是判別實(shí)例間相似性的尺度，用來判定實(shí)例庫中與新問題最相似的實(shí)例。在計(jì)算相似度時(shí)，根據(jù)出發(fā)點(diǎn)的不同，往往需要側(cè)重于某些屬性的局部相似度對(duì)整體相似度的影響，因此在計(jì)算整體相似度時(shí)，需要賦予屬性一定的權(quán)重［5］，以使結(jié)果更符合實(shí)際需要。

在實(shí)際的問題求解領(lǐng)域中，實(shí)例的屬性是數(shù)值型或字符型的，針對(duì)不同的屬性域采用不同的局部相似度計(jì)算方法。局部相似度指的是兩個(gè)實(shí)例的同一屬性不同取值間的相似度，記為sim(x ＞y)，取值范圍為［0 ＞1］，其x，y 是一個(gè)屬性的不同取值。屬性域的不同，其局部相似度的計(jì)算公式也跟著發(fā)生相應(yīng)的變化。實(shí)例檢索條件是問題描述部分的屬性，包括數(shù)值型和字符型，相似度的計(jì)算也限于這兩類屬性。

4 結(jié)語

目前復(fù)合材料的高成本是嚴(yán)重影響其社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用的主要原因。本文提出通過計(jì)算機(jī)輔助復(fù)合材料成型工藝設(shè)計(jì)提高復(fù)合材料構(gòu)件在成型工藝設(shè)計(jì)中的可靠性。從復(fù)合材料構(gòu)件的信息輸入模塊開始，完成復(fù)合材料構(gòu)件成型工藝基于實(shí)例推理的檢索過程，如果沒有相似實(shí)例，則用基于產(chǎn)生式規(guī)則的推理方法得出最佳成型工藝方法。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):①建立成型工藝參數(shù)知識(shí)庫，消除了復(fù)合材料構(gòu)件成型過程中工藝參數(shù)的確定多依靠設(shè)計(jì)人員和制造人員經(jīng)驗(yàn)的弊病，解決了設(shè)計(jì)和成型過程中數(shù)據(jù)管理混亂的問題;②通過建立基于特征的復(fù)合材料構(gòu)件實(shí)例庫和產(chǎn)生式規(guī)則的成型工藝方法選擇庫幫助設(shè)計(jì)人員參考以前成功的成型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的共享和最佳的成型方法的選擇。

［1］中國(guó)航空研究所. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2001.

［2］張玉龍. 高技術(shù)復(fù)合材料制備手冊(cè)［M］. 北京:國(guó)防上業(yè)出版社，2003.

［3］Murphy M J，et a1.Resin Transfer Molding Process Optimization［J］. Composite Part A:Applied Applied Science and Manu-facturing，2000，31(4):361 -371.

［4］于佳. 計(jì)算機(jī)輔助復(fù)合材料RTM 工藝規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)的研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003.

［5］李云龍. 一種基于實(shí)例檢索的工藝設(shè)計(jì)方法［J］.現(xiàn)代制造上程，2003(1):167 -173.