寇媛媛

( 西安職業(yè)技術學院，陜西西安710055)

先進樹脂基復合材料具有比強度和比模量高、可設計性強、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、結構尺寸穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成型的獨特優(yōu)點［1-2］，所以在航空航天等高科技領域得到了廣泛應用。另一方面復合材料的各向異性確定了復合材料設計的復雜性，其復雜性相應地使復合材料制造成本居高不下，從而又制約了它的廣泛應用。目前先進樹脂基復合材料結構的價格約為金屬結構價格的2 倍［3］。為降低復合材料的成本，必須實現(xiàn)材料成本、成型加工成本和裝配加工成本等所有構成因素的低成本化，其中關鍵是成型加工時的低成本化。

本文針對復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計準則、不能利用以前的知識以及數(shù)據(jù)不能共享等問題，結合航空企業(yè)復合材料成型的實際情況，開發(fā)了計算機輔助復合材料成型工藝設計系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了設計經驗的積累與共享，幫助工藝人員更快、更好地完成工藝設計任務，從而達到選擇最佳的成型工藝方法，實現(xiàn)最優(yōu)的成型加工成本的目的。

1 系統(tǒng)結構和組成

復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。采用面向對象技術建立了C/S 結構的復合材料成型工藝平臺，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)結構Fig.1 Based on the template system data structure as a whole

復合材料輔助成型工藝系統(tǒng)由構件信息輸入，基于特征的相似實例推理、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，具體結構如圖2 所示。

圖2 復合材料輔助成型工藝系統(tǒng)設計結構Fig.2 Composite auxiliary molding process system design

2 輔助工藝選擇

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

目前聚合物基復合材料的成型方法已有20 多種，并成功地用于工業(yè)生產［4］。本文中主要研究自動鋪帶、纖維纏繞、手工鋪放外加室溫固化、RTM 成型即樹脂轉移模塑(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知識。每一種成型方法都有一定的優(yōu)點與缺點，例如RTM 成型在裝入增強材料的封閉模具中，壓入樹脂，然后固化成型。這種方法成型出來的構件表面光潔，生產效率較高，適用于中等批量的生產。又如模壓成型，在閉模中壓實預成型體，并在壓力下進行固化，這種方法常用于制造大批量、高質量的構件，但由于使用閉合的模具，固化后構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)遞減的構件。

復合材料構件成型方法的選擇是根據(jù)定性的經濟因素和與構件自身相關的因素，對幾種成型工藝進行評估，進而選擇特定情況下，特定構件的最優(yōu)成型工藝。定性的經濟因素包括生產量、工裝成本、操作復雜性，與構件相關的因素包括構件尺寸、形狀復雜性、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條件，在進行匹配時，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某種生產條件的支持程度。

設計人員根據(jù)上述條件，初步確定復合材料構件的經濟因素和構件自身因素，針對每種成型工藝，其匹配值各不相同，此時應根據(jù)綜合考慮各個因素的總值，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件的成型，從而工藝設計人員可以初步確認哪些工藝是符合經濟因素和構件性能要求，擇優(yōu)選取。這種輔助成型方法對工藝設計人員具有重要的指導性作用。

3 系統(tǒng)的關鍵技術

3.1 復合材料構件基于特征的分類

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

圖3 復合材料構件特征分解Fig.3 Composite material component characteristics of decomposition

3.2 產生式規(guī)則的知識表示

在復合材料輔助成型工藝的設計與開發(fā)中，其中較為困難的是工藝選擇部分，通常一個構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，使其達到最低的制造成本和最好的質量狀況。以往這部分的知識大多為設計人員的積累經驗，不易收集為書面表達的數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)采用以基于產生式規(guī)則的知識表達來進行推理，這也是專家系統(tǒng)為核心的智能型計算機輔助加工工藝系統(tǒng)里的一個核心理論。

按照所采用的知識表示，知識庫系統(tǒng)可以分為基于邏輯的知識庫系統(tǒng)、基于規(guī)則的知識庫系統(tǒng)、基于語義網絡的知識庫系統(tǒng)以及基于框架的知識庫系統(tǒng)等。每一類型的專家系統(tǒng)都具有其特征。通過廣泛的調研，并結合復合材料構件設計的特點，本系統(tǒng)采用基于規(guī)則的知識表達，其具體原因分析如下:

(1)基于規(guī)則的知識庫系統(tǒng)的優(yōu)點是:模塊化、一致性和自然性。同時基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的技術也最為成熟。

(2)復合材料構件設計過程中的知識需要表示、修改和增刪?；谝?guī)則的知識表示可很好滿足此項需求。

另外，由于在復合材料典型構件工藝設計過程，有豐富的知識可供歸納為規(guī)則，故以典型構件工藝設計過程的知識表示為突破口進行知識的搜集和整理，存儲到系統(tǒng)中方便以后設計人員參考。

產生式表示法(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 為結論或動作。產生式的每條規(guī)則是一個“條件一行動”式，且各規(guī)則之間的相互作用(調用關系)不大。規(guī)則可簡單地表示如下形式:

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

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

3.3 基于特征的實例推理

本文提出一種基于特征的推理模型，通過對復合材料構件成型工藝實例庫中對相似實例的推理檢索得到構件的索引信息，復合材料構件實例的檢索結構分為3 級，如圖3 所示。

特征的檢索與匹配是實現(xiàn)推理的關鍵，根據(jù)典型構件的特征信息檢索相似實例，再進行相似實例的相似性計算得到相似度，相似度最大的一個即為最為接近的一個實例。復合材料構件相似性計算分為數(shù)值、符號兩種類型。構件的批量、幾何尺寸等數(shù)值類型屬性通過一定的數(shù)值計算公式獲得;性能要求、表面光潔度等屬性通過符號計算公式獲得?；趯嵗膹秃喜牧蠘嫾评砹鞒倘鐖D4 所示，用戶首先錄入構件的設計要求，檢索實例庫并進行相似度計算判別其相似性，若相似則修改該實例，直至滿意后將新的設計結果存入實例庫，若不相似則采用基于規(guī)則的設計進行工藝選擇，最后將設計結果存入實例庫。在很多信息管理系統(tǒng)中實例檢索是非常重要的環(huán)節(jié)，它與系統(tǒng)采用的索引機制有密切關系。目前常用的實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，相似度的計算即是針對該檢索方法的。

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

相似度計算實例調用前，首先根據(jù)“特征集”和“特征屬性集”進行問題描述，形成“問題描述碼”實例檢索時通過比較“問題描述碼”，計算當前設計問題與每個實例的相似度，得到“實例檢索值”，取“實例檢索值”最大并符合規(guī)則庫中的設計規(guī)則的前N條實例形成“實例集”。用戶根據(jù)實例預覽選擇“實例集”中最符合要求的實例作為設計的起點，系統(tǒng)根據(jù)用戶的選擇動態(tài)地調整相關特征的權重和相關特征屬性的相似度。

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

在實際的問題求解領域中，實例的屬性是數(shù)值型或字符型的，針對不同的屬性域采用不同的局部相似度計算方法。局部相似度指的是兩個實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 是一個屬性的不同取值。屬性域的不同，其局部相似度的計算公式也跟著發(fā)生相應的變化。實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，相似度的計算也限于這兩類屬性。

4 結語

目前復合材料的高成本是嚴重影響其社會各個領域的廣泛應用的主要原因。本文提出通過計算機輔助復合材料成型工藝設計提高復合材料構件在成型工藝設計中的可靠性。從復合材料構件的信息輸入模塊開始，完成復合材料構件成型工藝基于實例推理的檢索過程，如果沒有相似實例，則用基于產生式規(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:①建立成型工藝參數(shù)知識庫，消除了復合材料構件成型過程中工藝參數(shù)的確定多依靠設計人員和制造人員經驗的弊病，解決了設計和成型過程中數(shù)據(jù)管理混亂的問題;②通過建立基于特征的復合材料構件實例庫和產生式規(guī)則的成型工藝方法選擇庫幫助設計人員參考以前成功的成型設計，實現(xiàn)了設計經驗的共享和最佳的成型方法的選擇。

［1］中國航空研究所. 復合材料結構設計手冊［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2001.

［2］張玉龍. 高技術復合材料制備手冊［M］. 北京:國防上業(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. 計算機輔助復合材料RTM 工藝規(guī)劃系統(tǒng)設計與結構的研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2003.

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