基于知識(shí)工程的外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建

張 瑜，邱明星，賈 鐸，張讓威，劉 宇

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

外涵機(jī)匣作為航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要單元體之一，其設(shè)計(jì)涉及到氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、材料和工藝等多方面，研制周期較長，設(shè)計(jì)成本較高。如何高效地將設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)規(guī)范和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)等設(shè)計(jì)要素整合，將知識(shí)點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)融入到具體設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)縮短外涵機(jī)匣研制周期和減少設(shè)計(jì)成本的目的，這就需要引入1種工程設(shè)計(jì)理念——知識(shí)工程（Knowledge Based Engineering，KBE）。KBE的概念最早由美國在1977年提出[1]，1998年被引入CAD應(yīng)用中[2-3]，其基本思想是在工程設(shè)計(jì)中重用已有的設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，是隨著CAD技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展和結(jié)合而產(chǎn)生的。截至目前，KBE技術(shù)在中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還很少，對(duì)于外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)研究更是空白[4-5]。

本文應(yīng)用KBE思想，搭建一體化外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)系統(tǒng)，具有很好的研究及應(yīng)用價(jià)值。

1 外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)系統(tǒng)需求分析

1.1 外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)是以設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)規(guī)范和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)等為指導(dǎo)進(jìn)行的，但這些知識(shí)資源分散在設(shè)計(jì)規(guī)范、指導(dǎo)書和工作總結(jié)等文件、圖紙中，知識(shí)檢索與利用效率低、全面性差，不僅涉及設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)符合性和完整性，而且影響設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率。

外涵機(jī)匣建模方法無統(tǒng)一規(guī)范，建模過程沒有達(dá)到合理性最大化，相同結(jié)構(gòu)形式零件重復(fù)建模，模型重用性不高，設(shè)計(jì)效率低。同樣，對(duì)于外涵機(jī)匣零件3維標(biāo)注，也存在標(biāo)注形式不統(tǒng)一以及結(jié)構(gòu)形式相同零件需逐一標(biāo)注等問題，從而影響設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

傳統(tǒng)的外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)僅對(duì)需簽署歸檔的結(jié)果數(shù)據(jù)在PDM系統(tǒng)集中管理，而對(duì)于設(shè)計(jì)過程中不斷調(diào)整參數(shù)、結(jié)構(gòu)建模等產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)無集中管理，易導(dǎo)致數(shù)據(jù)被覆蓋或者丟失，如果最終產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷或不良，很難追溯和提取相關(guān)信息。另外，計(jì)算分析需人工對(duì)輸入/輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞和管理，易出現(xiàn)因人為因素導(dǎo)致的錯(cuò)誤，從而影響設(shè)計(jì)效率。

1.2 需求分析

通過對(duì)外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)現(xiàn)狀的分析，為完善外涵機(jī)匣的設(shè)計(jì)過程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，需進(jìn)行外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與開發(fā)。系統(tǒng)應(yīng)滿足的功能需求總結(jié)如下：

（1）設(shè)計(jì)過程流程驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)流程應(yīng)顯性化，設(shè)計(jì)者在流程的驅(qū)動(dòng)下完成外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)全過程，設(shè)計(jì)過程被動(dòng)遵循流程邏輯關(guān)系[6-9]。

（2）設(shè)計(jì)活動(dòng)與知識(shí)融合。在進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)在相應(yīng)功能模塊中體現(xiàn)相關(guān)知識(shí)信息，如工作輸入/輸出內(nèi)容、設(shè)計(jì)指導(dǎo)書、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)、模板、軟件工具、檢查單等，來指導(dǎo)設(shè)計(jì)者完成當(dāng)前設(shè)計(jì)活動(dòng)。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化及快速化3維建模。設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)建立3維數(shù)模設(shè)計(jì)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫，方便設(shè)計(jì)者快速開展外涵機(jī)匣材料工藝方案選取和結(jié)構(gòu)形式選取；快速支持零組件3維建模、技術(shù)條件編制、3維標(biāo)注和數(shù)模檢查，且使生成的模型及標(biāo)注滿足標(biāo)準(zhǔn)化要求。

（4）設(shè)計(jì)過程記錄。設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)能夠記錄設(shè)計(jì)者開展各項(xiàng)設(shè)計(jì)活動(dòng)的全部設(shè)計(jì)行為，方便后續(xù)開展設(shè)計(jì)評(píng)審和設(shè)計(jì)質(zhì)量復(fù)查工作。

（5）軟件集成及數(shù)據(jù)傳遞。設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)能夠穩(wěn)定調(diào)用設(shè)計(jì)者使用的計(jì)算分析軟件，完成設(shè)計(jì)流程中規(guī)定的各項(xiàng)計(jì)算分析工作，并實(shí)現(xiàn)各類計(jì)算分析輸入輸出參數(shù)的統(tǒng)一管理和傳遞。

2 系統(tǒng)總體方案

為實(shí)現(xiàn)上述需求，基于KBE技術(shù)提出的外涵設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)自底向上可概括為過程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、工具系統(tǒng)以及過程執(zhí)行系統(tǒng)。

圖1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

2.1 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包含過程數(shù)據(jù)庫、模板庫、知識(shí)庫等內(nèi)容。數(shù)據(jù)庫用來存儲(chǔ)設(shè)計(jì)過程迭代的過程數(shù)據(jù)；模板庫包含流程、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹、典型部件設(shè)計(jì)和文件模板；知識(shí)庫包含與外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)有關(guān)的設(shè)計(jì)文檔、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、技術(shù)文件、模型圖紙等。模板庫和知識(shí)庫通過知識(shí)收集、提取、整理、存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)，方便后續(xù)設(shè)計(jì)過程的調(diào)用和參考。

2.2 工具系統(tǒng)

集成封裝設(shè)計(jì)過程涉及的全部經(jīng)驗(yàn)公式、工程算法、設(shè)計(jì)軟件等，設(shè)計(jì)人員工作時(shí)直接從系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的工具軟件，完成全部設(shè)計(jì)工作，不必從Windows開始菜單啟動(dòng)，相應(yīng)的過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，不在本地電腦存儲(chǔ)。

2.3 過程執(zhí)行系統(tǒng)

此層級(jí)屬于任務(wù)層，在底層的數(shù)據(jù)庫和模板庫基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)流程驅(qū)動(dòng)，流程顯性化，設(shè)計(jì)人員在此層通過流程驅(qū)動(dòng)調(diào)用底層的軟件和數(shù)據(jù)完成設(shè)計(jì)工作。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 流程驅(qū)動(dòng)技術(shù)

流程體現(xiàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)的邏輯關(guān)系、先后順序以及輸入輸出關(guān)系，最終以流程節(jié)點(diǎn)作為最小單元實(shí)現(xiàn)最基本的設(shè)計(jì)活動(dòng)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用流程驅(qū)動(dòng)全部設(shè)計(jì)活動(dòng)，通過激活流程節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行驅(qū)動(dòng)工具軟件、工程計(jì)算、設(shè)計(jì)文檔查看、快速建模等任務(wù)，完成流程節(jié)點(diǎn)全部的設(shè)計(jì)過程（PDM結(jié)果數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)編輯、過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、過程數(shù)據(jù)提取、結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、提交審批）。在遵循流程進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)度顯性化，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)后臺(tái)傳遞和記錄，把需要顯示的流程狀態(tài)展示給用戶。

3.2 知識(shí)融合技術(shù)

將設(shè)計(jì)過程中涉及到的CAD、CAE、PDM管理融合在系統(tǒng)中，指導(dǎo)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)。通過流程的定義將流程節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)工作內(nèi)容相關(guān)的功能模塊及知識(shí)信息進(jìn)行一一關(guān)聯(lián)配置，包括節(jié)點(diǎn)檢查單設(shè)置、菜單綁定、流轉(zhuǎn)屬性、NX菜單綁定等，流程定義的過程即為知識(shí)顯性化的設(shè)置過程。流程定義后存儲(chǔ)在流程模板庫中，開展設(shè)計(jì)工作時(shí)即可調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程知識(shí)的重用。

3.3 結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)技術(shù)

通過建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模板庫，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)只需調(diào)用相應(yīng)的模板庫資源，即可實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)[10-12]。在結(jié)構(gòu)模板搭建中，應(yīng)用MBD和KBE思想，參數(shù)化模塊，內(nèi)嵌PMI信息，系統(tǒng)調(diào)用模板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，3維標(biāo)注信息自動(dòng)添加到模型中，設(shè)計(jì)者根據(jù)推送的知識(shí)信息、取值限制等完成相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)自動(dòng)生成帶有完整3維標(biāo)注信息的3維結(jié)構(gòu)模型。該過程可提高工作效率，也可規(guī)范建模和3維標(biāo)注方法。

3.4 數(shù)據(jù)管理技術(shù)

數(shù)據(jù)包括過程數(shù)據(jù)、模板數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)等。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和調(diào)用，系統(tǒng)需搭建數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)上述數(shù)據(jù)。其中，過程數(shù)據(jù)包含產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型、設(shè)計(jì)文檔、仿真文件等，由于數(shù)據(jù)量龐大且不是設(shè)計(jì)結(jié)果，所以存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中采用版本管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程可追溯。當(dāng)過程數(shù)據(jù)達(dá)到技術(shù)狀態(tài)，再轉(zhuǎn)存至PDM系統(tǒng)。

3.5 軟件工具集成技術(shù)

系統(tǒng)與其他設(shè)計(jì)軟件或分析軟件采用集成封裝，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及軟件間的數(shù)據(jù)傳遞，從而實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)[13-15]。系統(tǒng)提供了與主流軟件的接口：NX、CAD、Fluent、Ansys、Microsoft Office、Teamcenter等，同時(shí)集成設(shè)計(jì)過程中典型的經(jīng)驗(yàn)公式、工程算法等，滿足設(shè)計(jì)者在知識(shí)指導(dǎo)下適時(shí)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)傳遞以及結(jié)果數(shù)據(jù)上傳PDM系統(tǒng)簽署歸檔。

4 系統(tǒng)介紹及工程實(shí)例

4.1 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面分為3部分：資源區(qū)、工作區(qū)、流程區(qū)，如圖2所示。在資源區(qū)完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的預(yù)定義，調(diào)用顯示需要的流程模板；在流程區(qū)查看全流程，激活流程節(jié)點(diǎn)，開始設(shè)計(jì)任務(wù)；在工作區(qū)預(yù)覽節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并啟動(dòng)相應(yīng)的工具軟件，通過資源區(qū)獲取相應(yīng)的資源輔助，從而完成設(shè)計(jì)工作。

圖2 系統(tǒng)界面

4.2 流程定義界面

流程定義界面由功能區(qū)、繪制區(qū)、節(jié)點(diǎn)配置區(qū)組成，如圖3所示。在功能區(qū)建立流程；在繪制區(qū)繪制各流程圖，體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系；在節(jié)點(diǎn)配置區(qū)完成各節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)項(xiàng)的設(shè)置，包括功能、工具、知識(shí)、屬性以及流程間的從屬關(guān)系等。通過流程定義組建流程模板庫，項(xiàng)目開始時(shí)在流程模板庫中選取適用的流程，開展設(shè)計(jì)工作。

圖3 流程定義界面

4.3 流程節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)例

以“殼體設(shè)計(jì)”節(jié)點(diǎn)為例，其流程狀態(tài)如圖4所示。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)工作內(nèi)容、輸入/輸出項(xiàng)目及對(duì)應(yīng)每條內(nèi)容和項(xiàng)目的相關(guān)知識(shí)指導(dǎo)均通過查看節(jié)點(diǎn)檢查單獲得，如圖5所示。按指導(dǎo)開展殼體設(shè)計(jì)，調(diào)用NX軟件，找到殼體設(shè)計(jì)菜單，根據(jù)設(shè)計(jì)界面每項(xiàng)參數(shù)的涵義、取值指導(dǎo)、參數(shù)范圍等，完成參數(shù)設(shè)置（如圖6所示），生成外涵機(jī)匣殼體模型（如圖7所示）。該模型可以直接導(dǎo)入計(jì)算分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估等工作。按節(jié)點(diǎn)檢查單完成全部工作，全部過程數(shù)據(jù)保存在節(jié)點(diǎn)上，對(duì)檢查單勾選確認(rèn)后，本節(jié)點(diǎn)工作完成，同時(shí)下一節(jié)點(diǎn)被激活。在節(jié)點(diǎn)上保存的過程數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要進(jìn)行查看，或根據(jù)流程返回修改，生成新版本。

圖4 流程狀態(tài)

圖5 節(jié)點(diǎn)檢查單

圖6 殼體快速設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置界面

圖7 外涵機(jī)匣殼體模型

以“安裝座”節(jié)點(diǎn)為例，在需要同時(shí)生成結(jié)構(gòu)和標(biāo)注的情況下，應(yīng)用帶PMI標(biāo)注的快速設(shè)計(jì)工具，通過安裝座的相關(guān)參數(shù)設(shè)置即可完成具有全3維MBD標(biāo)注的安裝座模型，如圖8所示。

外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)按上例過程逐個(gè)節(jié)點(diǎn)和流程開展，當(dāng)設(shè)計(jì)達(dá)到技術(shù)狀態(tài)在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，結(jié)果數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)間數(shù)據(jù)映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)上傳（如圖9所示），在PDM系統(tǒng)中完成審簽。

圖8 系統(tǒng)安裝座建模過程

圖9 結(jié)果數(shù)據(jù)上傳PDM映射關(guān)系

5 結(jié)束語

外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)系統(tǒng)目前已試用于某型發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)功能初見成效；系統(tǒng)中基于KBE的快速建模功能已在型號(hào)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

后續(xù)將結(jié)合專業(yè)積累和系統(tǒng)升級(jí)對(duì)流程、知識(shí)和模板庫的進(jìn)一步梳理、補(bǔ)充和完善，全面實(shí)現(xiàn)通過外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行外涵機(jī)匣設(shè)計(jì)。