面向复杂机械结构设计的知识重用机制

黄昕龙,吴新江（福建江夏学院,福州350108）

面向复杂机械结构设计的知识重用机制

黄昕龙,吴新江
（福建江夏学院,福州350108）

针对现有复杂机械结构设计存在的部件间耦合参数繁多，设计规范多，设计效率低下等问题，探讨基于知识的复杂机械结构设计机制，提出了结构设计知识的层次表达模型，构建了基于规则推理和实例推理的复合推理机制，提高了复杂机械结构设计的效率和智能化水平。

复杂机械；结构设计；知识表达；知识重用

1　引言

机械结构设计任务是在机械传动系统设计的基础上，针对系统所要实现的功能目标，详细设计系统零部件的具体结构。机械结构设计一般是从整体粗略设计到局部详细设计。在系统总体结构设计过程中，应从系统的层面充分考虑零部件的划分、各零件间的装配关系和零件间结构参数的耦合关系。在零部件结构详细设计过程中，不仅应详细设计各零部件的材料、形状、尺寸、公差、表面粗糙度等具体技术要求，还应充分考虑零部件的加工工艺、强度、刚度、精度等性能要求[1]。传统的机械产品结构设计方法，是在静力学与运动学理论指导下，参考样机进行类比与仿制，以经验公式、图表、手册等作为设计的依据，凭借着设计者的经验选择设计参数，再经过反复验证与修改直至满足强度、刚度要求。这种方法费工费时，设计时只能考虑有限的变量，常常忽略了应当考虑但又受限于条件难以考虑的，重要的，甚至必要的因素，导致最终设计结果比较粗略，设计的产品笨重，效率低下，成本也高，甚至形成“人为”的应力集中点，不符合实际动态情况。近几十年来，计算机的应用给设计领域带来了一场革新。特别是CAD/CAE技术的发展及其在机械产品设计中的应用，大大提高了产品设计效率和设计质量[2,3]。但现有设计方法主要有人工操作设计软件实现，而设计软件自身缺乏对设计知识、经验知识等知识的表达和处理机制，设计结果的可靠性依赖于设计人员的知识水平。基于知识工程的发展，为实现复杂机械结构智能化设计提供了条件。因此，研究基于知识表达、处理和重用的复杂结构设计机制，提高设计过程的自动化和智能化水平，具有重要的理论现实意义。

2　设计知识模型

机械结构设计过程中，设计过程首先受到设计规范知识的制约，所有的设计必须遵循国家、行业、部门的规范。在结构的设计与调优过程中，还应充分领用领域知识引导设计与调优，从而提高设计效率与优化质量。专家经验知识是结构设计过程中必不可少的知识，丰富的专家经验知识引导能够缩短设计周期，保证结构的性能。此外，借鉴历史实例，从成功实例中挖掘吸取精华，充分利用历史实例知识引导设计，也是提高设计效率的有效手段。在设计方案成形后，还应采用强度评价知识、刚度评价知识、外观评价知识等对结构进行评价。若结构满足评价要求，则设计过程结束；否则，应重新利用领域知识、设计规范知识、专家经验知识等引导设计过程对设计方案进行修改，直至结构的评价满足要求。因此，从知识构成上，结构设计过程中的知识包含领域知识、设计规范知识、专家经验知识、历史实例知识、强度评价知识、刚度评价知识、外观评价知识等。各知识构成贯穿整个设计周期，且在不同的设计阶段，角色不尽相同。

为便于结构设计知识的表达、处理和重用，提出复杂机械结构设计知识模型如图1所示。设计知识模型包含符号知识、样本知识和评价知识等3部分。

设计知识模型的符号知识是指用规范化的符号语言进行描述的知识，主要包括领域知识、设计规范知识和专家经验知识。符号知识不仅便于经验的总结和归纳，也便于计算机实现。符号知识的求解依靠基于规则推理的求解技术，这种求解技术属于逻辑思维，具有简单、灵活和易于理解、解释机制良好、便于实现知识库和推理机相分离等优点，但同时也存在知识的任务依赖性较强、知识难以维护、推理耗时长等缺点。

设计知识模型的样本知识是对历史成功样本的规范化描述，能够表达符号知识难以描述的知识。样本知识的处理采用基于实例推理的求解机制进行求解，推理过程与设计人员的类比思维过程相吻合，推理效率高，且能实现知识的自动获取，知识库创建简单、快速，维护方便，能够弥补基于规则推理求解机制的不足。

设计知识模型的评价知识主要包含用于评价结构的数学模型和逻辑规则。评价知识用于结构设计过程中，评价结构的外观、刚度、强度等性能，主要包含外观评价知识、刚度求解知识、强度求解知识。通过评价知识的评价，保证结构在具有足够的刚度、强度的同时，外形美观。

3　设计知识重用机制

设计知识贯穿于整个设计过程中，设计知识的处理、重用机制不仅影响着设计质量，也决定了设计效率。设计知识模型的样本知识包含了历史成功实例，应用基于实例推理的处理机制能够模仿人类专家设计的类比思维，设计效率高，因此用于设计初期快速生成初始设计方案。设计知识模型的领域知识、设计规范知识、专家经验知识等符号知识处理效率较低，主要用于类比设计后的结构合理化微调及类比设计失败时的重新设计。设计知识模型的评价知识作为评价结构性能的主要手段，实现在结构初始方案设计完成后对结构性能进行评价并给出改进依据。评价知识主要为结构强度、刚度评价模型和结构外观评价模型。其中，刚度、强度主要通过有限元分析方法进行计算，外观采用符号推理的方式实现。

基于上述分析，构建复杂机械结构设计知识重用机制如图2所示。设计时，设计人员通过系统人机界面对设计任务进行描述，将相关设计要求传递给系统。系统获取设计任务后，首先调用基于实例推理的推理模块，在样本知识库的基础上，模拟设计专家的类比思维，从历史成功实例中，查找与设计任务最匹配的历史实例。如果查找成功，则基于成功的历史实例对设计任务要求的结构进行类比设计，并在设计完成后调用基于规则推理的模块，在符号知识库的基础上对设计方案进行微调，是结构更加符合设计任务要求，从而生成初始设计方案。若查找失败，则在符号知识库的基础上调用基于规则推理的模型根据设计任务从头开始进行结构方案设计，生成初始设计方案。当初始设计方案生成后，系统调用结构性能评价模块，基于评价知识库对结构进行刚度、强度和外观评价。若评价结构满足设计要求，则输出设计方案。若评价结果不满足设计要求，则重新调用基于规则推理的符号知识处理机制，对结构方案进行微调直至结构方案满足设计要求。

4　小结

探讨了复杂机械结构设计中，充分利用领域知识、设计规范知识、专家经验知识、历史实例知识等知识引导设计方向的必要性，提出了基于符号知识、样本知识、评价知识的设计知识模型，并综合利用基于规则推理和基于实例推理的机制，构建了复杂机械结构设计中知识的重用机制，提高了复杂机械结构设计的效率和智能化水平。

[1]蔡逸夫．探究机械结构设计中的创新设计．科技与企业，2013，(12)：348,350．

[2]田合强,兰清群,邬平波.CAD/CAE技术在铁道车辆轮对设计中的应用[J].机械设计与制造，2008(04):64-66．

[3]商跃进,周建明,张海军.CAD/CAE/CAM技术在吊杆设计制造中的应用[J].兰州交通大学学报，2006,25(03):1-4．

[4]殷国富,干静,胡晓兵等．面向信息时代的机械产品现代设计理论与方法研究进展[J].四川大学学报(工程科学版),2006,38(05):38-47．

黄昕龙（1988—），男，福建福州人，硕士研究生，助教，研究方向：数控技术。