复合材料结构挖补修理知识库系统

贺 强，杨文锋，唐庆如

HE Qiang, YANG Wen-feng, TANG Qing-ru

（中国民用航空飞行学院 航空工程学院，广汉 618307）

0 引言

复合材料结构固有的高强度，耐疲劳和轻量化等特性，以及复合材料结构数字化设计、制造方法的日臻完善，使得复合材料结构在航空器上的应用越来越广泛。其用量已经成为衡量航空器是否先进的标志。伴随着复合材料结构的设计与制造，复合材料结构维修也孕育而生，并朝着高效可靠的方向发展。复合材料结构的挖补修理具有增重少、强度高、能恢复构件的气动外形等特点而成为主流的维修技术。复合材料结构的挖补修理需综合考虑补片与胶结接头的设计，材料选择、补片与损伤结构的胶结工艺等耦合或矛盾的因素，造成了维修技术的独特性与复杂性。与复合材料结构设计、制造类似的是，复合材料结构的维修也依赖已有的经验和知识。

随着复合材料应用的不断深入，在航空维修领域已经积累了大量的挖补维修案例成果。这些成果蕴含了维修经验、教训、方法和技巧等隐性知识。这些知识是维修设计人员提高维修质量与可靠性和解决新问题的重要依据。特别地，维修实践中遇到的损伤具有不可预知性和多样性，相关修理手册和制造商提供的维修方案不可能将其完全囊括。这类损伤的维修依赖已有的相似损伤维修方案设计经验。因此，如何共享、应用和管理这类知识是提高维修质量、缩短维修周期、实现维修快速响应的重要途径之一，对于提升企业核心竞争力具有重要意义。

通过构建知识库，将该类问题所用的经验、规则、方法与技巧等知识进行合理表示并应用检索算法实现知识的重用已经成为一种有效解决方案，在飞机复合结构的设计、制造领域得到深入研究。文献[1]定义了携带材料、结构、机械属性和制造工艺信息的最小复合材料体积单元，并将这些单元进行合理组织以形成支持复合材料结构设计的知识库。文献[2]基于各类规则和约束，开发了界面友好的复合材料铺层优化设计专家系统。文献[3]应用基于规则的产生式知识表示，设计开发与CATIA集成的飞机复合材料构件的设计知识库系统。文献[4]根据面向制造的复合材料设计需求，开发了基于本体的复合材料层压板语义知识管理系统。文献[5]开发了基于知识库的复合材料层压板铺层优化专家系统，研究了目标函数库、局部寻优算子库以及层合板铺层规则库的结构与组成。文献[6]基于ASP.NET与SQL Server实现了多用户的协作设计，多专家知识支持的复合材料设计系统。文献[7]的复合材料构件设计知识库主要包括典型构件设计规则库和设计实例库。文献[8]基于B/S架构，开发了针对复合材料构件连接设计的知识库系统。文献[9]研究了计算机辅助复合材料成型工艺的集成框架，构建了框架的系统结构和开发流程，进而实现了工艺卡片的定制。文献[10]根据复合材料结构的成型工艺特征，研究了基于知识的工艺选择专家系统的框架结构和推理机制。文献[11]研究了基于知识库的快速复合材料构件工装设计系统。文献[12]开发了基于知识的工程系统以在设计阶段估算航空器复合材料结构的重量和成本。

综上所述，复合材料结构设计与制造的知识库系统的研究积累了丰富的研究成果，但针对维修知识库系统相关的研究较少。而航空器复合材料结构大量应用导致了对高效可靠的维修技术的迫切需求，基于知识库的复合材料结构维修可重用已有的经验与技巧，可进一步提高维修质量与可靠性，具有重要的工程应用价值。本文针对这一现状，开展复合材料结构挖补修理知识库系统研究。

1 系统构成与框架

复合材料挖补修理知识库系统的主要目标是对航空维修领域的相关维修成果进行梳理，挖掘出修理过程所凝聚知识的组织、建模、管理与重用，从而有效支持挖补修理方案的快速设计，为维修单位的知识积累、传承和应用提供一种有效的解决方案。

复合材料挖补修理知识库系统主要模块为：1）复合材料挖补修理知识建模模块；2）维修知识检索模块；3）基于知识的快速维修方案设计模块。各个模块分别实现的功能为，建模模块根据积累的复合材料结构挖补修理案例，结合维修过程遵循的规则等，对维修案例进行基于知识的表示；检索模块根据建模模块的知识组织及表示，采用基于案例推理的检索方法检索出最为相似的案例供用户参考；维修快速设计模块通过定制维修方案模板，实现维修方案的数字化设计以提高维修效率。复合材料结构挖补修理知识库系统框架如图1所示。

图1 复合材料挖补修理知识库框架及应用流程

2 关键技术

2.1 复合材料挖补修理知识建模

结合已有的复合材料结构维修手册和复合材料结构维修相关研究，建立了面向对象的复合材料挖补修理知识模型，如图2所示。

图2 复合材料挖补修理知识模型

1）复合材料结构几何特征。复合材料结构形式主要有层压结构和夹层结构两种。而构件的几何特征是其功能的体现，同时也是挖补修理补片的参考几何，此外维修设计采用的有限元模型也需充分考虑结构的几何特征，损伤材料去除的数控加工方法也需根据结构的几何特征通过曲面偏置的方式生成刀轨等。

2）复合材料结构损伤特征。复合材料结构固有的各向异性以及铺叠成型造成其损伤的多样性与复杂性，需要综合考虑损伤类型、损伤原因、损伤区域位置与尺寸等。

3）复合材料结构损伤检测特征。包括检测方法，如超声C扫描等；检测结果，损伤图像，音频等。针对复合材料结构损伤检测，尚没有一种检测方法能够检测出所有的损伤类型，因此检测出某个具体损伤的无损检测方法对结构维修具有重要的参考价值。

4）维修设计特征涉及的内容。包括补片的几何参数、材料参数、铺层设计、胶粘剂选择、固化温度压力选择等。

5）维修工艺特征。涉及去除损伤材料的工艺方法、采用的工艺装备、胶接表面处理方法与设备、固化参数与固化设备等。

6）维修验证特征。包括外观检验、内部曲线检验和性能检验等。

2.2 基于相似性的复合材料维修案例检索

2.2.1 案例索引

复合材料挖补修理案例检索需要损伤构件的索引信息，即适当选择复合材料挖补修理知识模型中的各类特征作为相似性评价的因素。复合材料挖补修理案例的相似性比较采用的索引特征包括：

1）复合材料结构类型。根据复合材料结构的常见类型为层压板和夹层结构，设两个维修案例分别表示为T1和T2，结构类型的相似性用ST表示，则：

2）复合材料结构几何形状的相似性比较。复合材料结构的几何通常采用CAD模型来表示。近年来，基于内容的CAD模型检索算法已经得到深入研究并逐渐在工程领域应用[13,14]。CAD模型检索主要通过比较模型之间的几何相似性来检索最为相似的模型。其中，基于形状分布的几何相似性度量利用几何函数来计算模型顶点的形状特征，统计相比较的两个模型表面样本点的几何函数值出现的次数，并生成形状分布直方图。通过比较直方图的相似距离来获得模型间的几何相似性度量[15]。该算法具有简单、高效且对模型的旋转、平移、缩放等具有不变性等优势。因此本文采用文献[15]的D2形状分布函数来得到复合材料结构几何模型的直方图并计算相似性。

采用平均值对齐的方法对模型直方图进行归一化，平均值为：

其中，n表示随机取的1024个顶点两两之间形成的线段的数量；li表示线段的长度。计算出平均长度后，以Lb作为直方图水平轴的长度单位。

其中，N为一常数，本文取值50效果较好。对任意两个相比较模型几何所形成的直方图h1，h2，其相似性度量为：

3）复合材料损伤区域。设两个维修案例中的损伤区域相对面积分别为A1，A2，用SA表示损伤区域面积的相似性，则：

设两个维修案例中损伤区域空间最小包围盒的长、宽、高分别为a1，a2，a3和b1，b2，b3用SV表示损伤区域相对体积的相似性，则：

2.2.2 案例相似性计算

复合材料损伤结构维修案例R1，R2的相似性由复合材料结构类型、复合材料结构几何特征和复合材料结构损伤区域信息综合加权获得，用SR表示，则：

2.3 维修方案设计模板定制

复合材料结构维修通常遵循一定的规则和步骤，将整个方案制定过程通过知识模板的方式固化，可极大减少维修方案设计的工作量。根据本文的复合材料维修知识模型，该模板包含5个部分：损伤检测、损伤特征、维修设计、维修工艺和维修验证。损伤检测定制的内容包括检测设备、检测时间、检测结果；损伤特征定制的信息包括损伤原因，损伤面积、损伤厚度；维修设计定制的信息包括补片几何，直接与损伤面积和厚度关联，结合维修手册或相似案例给出补片的面积、长、宽、厚度等几何参数；补片与母体的胶结接头的几何参数；维修工艺定制的信息包括去除损伤材料设备、去除损伤材料工艺、表面处理工艺、固化设备、固化温度、压力、时间和工装；维修验证定制的信息包括外观检测、无损内部检测方法和性能检测等。根据维修方案设计知识模板，采用基于相似性的复合材料维修案例检索查询最为相似的已有案例，为模板中的各向定制信息提供参考，从而快速完成维修方案设计。

3 知识库原型系统

以VS2008为开发平台，结合SQLServer2005关系数据库，利用VC#开发了复合材料挖补修理知识库平台以验证本文方法的有效性。原型系统界面如图3所示，系统主要由三大模块构成，即知识建模模块、知识检索模块和快速维修方案设计模块。知识建模模块中的对象浏览器中的树形结构体现了知识模型的基本框架。结构几何特征、结构损伤特征等6个知识的组成特征以命令按钮的形式与每个树形结构中的具体维修案例关联。检索模块通过输入损伤复合材料构件类型、几何形状和损伤区域等信息进行知识库中相似案例的查询。快速维修方案设计模块则采用Word文档方式将维修过程的参数与约束信息固化管理，从而实现维修方案的快速设计。

图3 复合材料挖补修理知识库系统

4 结束语

随着复合材料结构在飞机制造业中应用的不断深入，复合材料结构维修成为航空维修业新的机遇和挑战。复合材料结构固有的各向异性以及铺叠成型造成复合材料结构损伤的复杂性与多样性，因而复合材料结构的维修极其依赖知识和经验。知识经济的今天，维修企业的相关知识与经验作为重要的智力资源，是核心竞争力的体现。复合材料结构挖补修理知识库系统为相关企业的经验知识积累和应用提供了一种有效的解决方案，对复合材料结构维修技术稳定性和可靠性的进一步提升也具有推动作用。同时知识库的应用还可有效提高维修效率，工程应用前景广阔。

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