随着计算机图形学、数值分析、可靠性设计、优化设计等一系列先进设计技术的应用,使固体火箭发动机设计技术面临着升级换代。从最初的手工设计,到应用计算机程序设计,到现在的多学科优化设计,火箭发动机设计在质量、效率、周期等方面获得了显著提升。然而固体火箭发动机设计又有其特殊性,它涉及到燃烧、流动和热结构等领域,在应用现代先进设计技术时,又需要结合固体火箭发动机的特点。本书将就先进设计几个专题,重点介绍这些技术的应用。

在这里,我们展开视野,首先探讨传统设计和现代先进设计的关系。

首先,传统设计与先进设计方法的特点和区别在于:传统设计方法的特点:静态分析、近似计算、经验设计和手工劳动。而先进设计方法的特点:程式性、创造性、系统性、最优化和综合性。

传统设计是以经验总结为基础,以长期设计实践和理论计算形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据,通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。而先进设计方法是以满足产品的质量、性能、时间、成本、价格等综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。

然而先进设计与传统设计互为依托:先进设计是传统设计的延伸和发展,先进设计方法也是继承传统设计方法基础上不断吸收先进理论、方法和技术以及相关学科最新成就后发展起来的。

下面就有关先进设计方法和概念作简单介绍:

1.1 数字化设计

通过建立数字化产品模型,利用数字模拟仿真、干涉检查、CAE分析等技术,改进和完善设计方案,提高产品开发效率和产品可靠性,并最终为基于网络的全球制造提供数字化产品模型。

数字化是就把各种各样的信息都用数字来表示,其实数字化更加精确地说应该是二进制的数字化,指的是二进制运算理论的确立计算机技术的诞生所带来的一步。数字化技术起源于二进制数学,在半导体技术和数字电路学的推动下使得很多复杂的计算可以交给机器或电路运算完成。发展到今天微电子技术更是将各个学科带到了数字化领域。

并行设计:并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。可以加快产品的设计进度,方便各设计部门间的联系,缩短设计周期。它的核心是PDM,需要一套共享的产品数据库。

概念设计:是产品设计过程的关键环节,是根据产品生命周期各个阶段的要求,进行产品的功能创造、功能分解和功能集成;要对能满足工作原理要求的结构进行求解,对实现功能结构的工作原理方案进行构思和系统化设计。

设计就是设想、运筹、计划和预算,它是人类为了实现某种特定的目的而进行的创造性活动。设计具有多重特征,同时广义的设计涵盖的范围很大。设计有明显的艺术特征,又有科技的特征和经济的属性。从这些角度看,设计几乎包括了人类能从事的一切创造性工作。但是今天我们不想站在这样的高度去谈我们的设计,我们仅仅抓住其中的一部分。设计的另一个定义是指控制并且合理的安排视觉元素,线条、形体、色彩、色调、质感、光线、空间等,涵盖艺术的表达,和结构造型。这好像更加接近我们平常所接受并且能感觉到的设计(当然两种定义是从不同的范围和角度出发,之间并没有矛盾)。我们知道,设计是特殊的艺术,其创造的过程是遵循实用化求美法则的。设计的科技特性,表明了设计总是受到生产技术发展的影响。设计和技术有着密不可分的关系。数字化设计就是数字技术和设计的紧密结合。

技术的快速提高,新的工具不断产生,使得当今的设计者一下子拥有了过去几十年甚至几千年里设计师们都不曾拥有的条件,他们有了用不旧的笔刷、使不完的颜色、变化多端的画布、还有很多前所未有的创作手法、各种辅助工具使选择变得异常的复杂和繁多。这些无疑激发着设计者的热情,让他们有了新的灵感并为之激动不已。但同时也给他们带来了一些外部的干扰,容易让人迷惑其中。

二十世纪的最后几十年里数字化技术,数字化理论和计算机技术的产生和完善,使得设计领域中又一次的发生了奇妙的变化,计算机辅助设计,计算机辅助绘图,空间上设计师在虚拟的空间中重新描绘着世界,创造着三维。轻轻的点击鼠标或敲几下键盘,我们就得到了各式各样的画笔,几乎一切所能想象的色彩,简单的操作就实现了以前数月数年的工作,当然还有快速的复制和传送。使得存在于人们头脑中的各种灵感与创意可以更快捷更真实的呈现出来。在过去,当我们要修改设计出来的设计图时也许就意味着重头开始。而现在高速的中央处理器(CPU),巨大的内存可以帮助我们有形的设计永久的凝固下来。网络的产生,数字技术将我们有形的设计转变成光速传递没有重量的比特流,信息在各种通讯协议上高速地传输,使得你的设计也可以很快地传遍世界。三维的数字化扫描技术的产生使快速的建模成为了可能,数字化又一次使设计领域得到了巨大的推动。这一切归根结底是来源于数字电路学中的“数模转化”(数字量和模拟量之间的转化电路技术),但如果你看到最初的转化电路将一些正弦波形转化成锯齿波时代是怎么也不会把它和数字设计联系在一起的。这些都说明了,随着技术的不断向深入发展,在感觉上使得技术好像离我们越来越遥远了。考虑到由于国内的有关方面的教育方法和相应的知识结构都相对落后于国际水平,使得我们在相对长的一段时间里对设计的理解不够准确和深入,很多概念还停留在“工艺美术”的阶段,不知不觉中我们就忽略了设计中很重要得技术性成分(当然同时工业设计也多少会忽略艺术的成分)。从而在一定程度上产生出了设计相对技术的距离感。其实从世界范围这个角度看有很多杰出的现代设计师也都是来自技术方面的优秀人才。一部介绍国际数字动画设计的专题片中这样说道:“在未来,可能一个电脑专家就是一个动画大师,而一个艺术家可能同时也是一个成功的电脑工程师”。

0和1是数字化的基础,是数字化的基本元素,万千世界的表象和内涵都可以用它来表示,整个数字化流动着0和1的组合。黑与白、阴与阳、是与非,互为对立面,互为依存,是对立统一。是传统道家哲学在科技领域的具象化,道生一,一生二,二生三,三生万物。整个虚拟世界流淌着0和1的组合。

数字化使得被研究对象的描述精确化,即使是概率问题也要给出数字化的描述,任何问题都必须被模型化,然后才能被数字化。这一过程涉及到复杂的科学问题。未来数字化发动机的设计、制造、试验将成为固体火箭发动机研制的重要内容。

1.2 CAD技术的内涵

CAD技术包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动,它是一种新的设计方法,也是一门多学科综合应用的新技术。涉及的基础技术有图形处理技术、工程分析技术、数据管理与数据交换技术、文档处理技术和软件设计技术。

CAD与计算机绘图、计算机图形学的关系:计算机绘图是计算机图形学中涉及工程图形绘制的一个分支,可将它看成一门工程技术,它是使用图形软件和硬件进行绘图及有关标注的一种方法和技术,以摆脱繁重的手工绘图为主要目标,它为人们以软件操作方式绘制图样提供服务,计算机绘图不是CAD的全部内涵,但它是CAD的基础之一;计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形,并在专用设备上显示的原理、方法和技术的科学。计算机图形学是一门独立的学科,有自己丰富的技术内涵,与CAD有明显区别,但其有关图形处理的理论与方法构成了CAD的重要基础。

图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从构成要素上看,图形主要分为两类,一类是几何要素在构图中具有突出作用的图形,如工程图、等高线地图、曲面的线框图等,另一类非几何要素在构图中具有突出作用的图形,如明暗图、晕渲图、真实感图形等。

计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此,必须建立图形所描述的场景的几何表示,再用某种光照模型,计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上,图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时,真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的,计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。

CAD技术为数值分析提供模型。作为固体火箭发动机装药设计,普遍应用CAD技术进行装药设计,燃面肉厚计算和内弹道分析。

先进CAD技术与设计工具相关的技术:

1)产品数字化定义及建模技术,包括产品模型的表达、STEP标准实施技术、建模技术等;

2)基于PDM的产品数据管理与工作流程(过程)管理技术;

3)发展集成的CAX和DFX(Design for X面向产品生命周期各环节的设计)工具,使先进CAD系统从功能上能支持产品设计的全过程,包括需求概念设计、结构设计、详细设计、工程分析和工艺设计等,而且能利用DFX工具实现对设计下游过程的支持,及早发现问题,避免大量返工。

组合变换、基本变换(比例、压缩、对称、旋转、错切、齐次坐标与平移)。

为了提供更为便捷的图形表达和图形间的交并差运算,有人开发了图形引擎,在图形引擎的支持下,开发图形软件,如ACIS、ParaSolid等。图形引擎涉及到复杂的计算机图形学、几何学、数学等,体现了一个国家基础研究水平。

目前工程上常用的CAD软件有:AutoCAD,UG,ProE,Catia,SolidWorks等。

作为固体火箭发动机设计广泛应用图形学。

1.3 优化设计

传统设计方法:确定产品结构方案;尺寸计算和强度校核;调整方案,重新计算。(循环设计过程)优化模型三要素:设计变量,目标函数,约束条件。

有约束目标函数极值的存在性:目标函数有约束极值还是无约束极值,主要取决于约束条件对极值和极值点的影响。同样的目标函数对于不同的约束条件,可能出现不同的最优值和最优点,其原因在于不同的约束条件限制了设计变量不同的取值范围。

有约束最优问题需要解决的问题:1)判断约束极值点存在的条件;2)判断找到的极值点是全局最优点还是局部最优点。

多维问题的优化算法:坐标轮换法、一阶梯度法、二阶梯度法、共轭梯度法、变尺度法、单纯形法。共轭梯度同心椭圆族上的任意两平行线s1和s2的切点连线s,必经过目标函数的极小点。一旦确定了连线方向,通过在该方向上的一维探索,极小点还是容易求得的。这里s称为s1的共轭方向,这种以共轭方向作为探索方向的优化方法,称为共轭梯度法。

1.4 有限元分析

有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元),就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替,所以这个解不是准确解,而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用,例如用多边形(有限个直线单元)逼近圆来求得圆的周长,但作为一种方法而被提出,则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法,应用于航空器的结构强度计算,并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力,随着计算机技术的快速发展和普及,有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域,成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。

把燃烧、流动、结构和传热等连续问题,化为离散单元问题进行求解。这些连续问题的描述主要有:质量守恒、能量守恒、动量守恒、气体状态方程、扩散定律、化学平衡、多相流等。对问题的描述也是建立在适当的简化假设条件下。有限元分析分以下几个步骤:

第一步 前处理。根据实际问题定义求解模型,包括以下几个方面:

(1) 定义问题的几何区城:根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。

(2) 定义单元类型:

(3) 定义单元的材料属性:

(4) 定义单元的几何属性,如长度、面积等;

(5) 定义单元的连通性:

(6) 定义单元的基函数;

(7) 定义边界条件:

(8) 定义载荷。

第二步 总装求解: 将单元总装成整个离散城的总矩阵方程(联合方程组)。总装是在相邻单元结点进行。状志变量及其导数(如果可能)连续性建立在结点处。联立方程组的求解可用直接法、选代法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。

第三步 后处理: 对所求出的解根据有关准则进行分析和评价。后处理使用户能简便提取信息,了解计算结果。后处理的目的在于分析计算模型是否合理,提出结论。用可视化方法(等值线、等值面、色块图)分析计算结果,包括位移、应力、应变、温度等,其中包括最大最小分析、特殊部位分析等。

1.5 可靠性设计

(1)可靠性含义

可靠性是指一个产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力;而一个工业产品(包括像火箭发动机这样的产品)由于内部元件中固有的不确定因素以及产品构成的复杂程度使得对所执行规定功能的完成情况及其产品的失效时间(寿命)往往具有很大的随机性,因此,可靠性的度量就具有明显的随机特征。一个产品在规定条件下和规定时间内规定功能的概率就称为该产品的可靠度。

作为固体火箭发动机的可靠性问题,从定义上讲可以理解为:“发动机在规定的使用载荷/环境作用下及规定的时间内,为防止各种失效或有碍正常工作功能的损伤,应保持其必要的內弹道、强刚度、烧蚀耐久性能力。”可靠度则应是这种能力的概率度量,当然具体的内容是相当广泛的。例如,装药或结构系统的强度可靠性是指装药或结构系统的强度大于工作应力的概率,结构安全寿命的可靠性是指结构的裂纹形成寿命小于使用寿命的概率;可靠性的概率度量除可靠度外,还可有其他的度量方法或指标,如结构的失效概率F(c),指结构在某时刻之前破坏的概率;失效率是指在某时刻以前未发生破坏的条件下,在某时刻的条件破坏概率密度;平均无故障时间MTTF(MeanTimeToFailure),指从开始使用到发生故障的工作时间的期望值。除此而外,还有可靠性指标、可靠寿命、中位寿命,对可修复结构还有维修度与有效度等许多可靠性度量方法。

(2)可靠性设计的基本过程与特点
设计一个具有规定可靠性水平的发动机产品,其内容是相当丰富的,应当贯穿于产品的预研、分析、设计、制造、装配试验、使用和管理等整个过程和各个方面。从研究及学科划分上可大致分为三个方面。

  • 可靠性数学。主要研究可靠性的定量描述方法。概率论、数理统计,随机过程等是它的重要基础。
  • 可靠性物理。研究元件、系统失效的机理,物理成因和物理模型。不同研究对象的失效机理不同,因此不同学科领域内可靠性物理研究的方法和理论基础也不同.
  • 可靠性工程。它包含了产品的可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验、可靠性数据的收集处理和交换等.从产品的设计到产品退役的整个过程中,每一步骤都可包含于可靠性工程之中。

由此我们可以看出,可靠性设计仅是可靠性工程的其中一个环节,当然也是重要的环节,从内容上讲,它包括了可靠性分析、可靠性设计和结构可靠性试验三大部分。可靠性分析的过程大致分为三个阶段。

一是搜集与结构有关的随机变量的观测或试验资料,并对这些资料用概率统计的方法进行分析,确定其分布概率及有关统计量,以作为可靠度和失效概率计算的依据。

二是计算构件的载荷效应,通过试验和统计获得结构的能力,从而建立结构的失效准则.

三是计算评价结构可靠性的各种指标。当构件或结构系统的失效准则建立以后,便可根据这些准则,计算评价构件或结构系统的各种可靠性指标,如可靠度、失效概率等。结构可靠性设计技术的发展目前还不尽完善。这是因为可靠性设计必须掌握各类设计因素的真实概率特性,因而需要有原始资料的积累,需要大量的数据资源,而它的获取必须来自于大量的可靠性试验。这一工作尚属起步阶段,尚未形成统一标准的设计规范,但可靠性设计作为一种设计思想在现阶段的结构设计中已有所体现,如:可靠性设计准则的建立,系统可靠度的分配方法等。目前的可靠性设计工作多是通过静强刚度设计、安全寿命设计、损伤容限和耐久性设计等规范获得结构设计结果,再利用可靠性分析方法来评价其可靠性程度,因此掌握结构可靠性分析评价技术与方法就显得十分重要了,而真正建立起完整的结构可靠性设计体系尚有待今后工作的积累与发展。但可以预料,任何一种新的设计思想应当是对旧的设计体系的完善与扬弃,因此由结构可靠性设计思想而产生的各种设计准则、方法在很大程度上与其它旧设计体系的内容在原则上应是一致的,如:多路传力和多重元件设计不仅是损伤容限设计的准则之一,这样的结构体系必然可靠度就高,也会成为结构可靠性的设计原则之一:再例如结构静强度优化设计中的等应力工程准则,在可靠性设计中则表现为系统中各元件的可靠性指标也应大致相近等。结构可靠性试验是为了分析、验证与定量评价结构可靠性指标而进行的各种试验的总称。结构可靠性试验的目的是为了获得结构在各种环境下工作时的真实的可靠性指标,为结构的设计、制造和使用提供资料;同时通过试验可发现结构的薄弱环节,改进设计参数、制造工艺和使用方法,以提高结构的可靠度。

1.6 先进生产管理技术的概念PDM

宏观而言,PDM(Product Data Management)系统,即产品数据管理系统,如图1所示,是一种以产品为核心,以数据、过程和资源为三大要素,以产品的生命周期为主线,以软件为基础,将所有与产品相关的信息及与产品相关的过程集成而进行统一管理的系统,是依托计算机科学技术来帮助人们管理产品数据和产品过程的有力工具。

 图1 PDM系统

 对于制造业而言,各类计算机辅助技术虽己从上世纪70年代开始日益成熟,但这些技术通常都自成一体,彼此之间尚缺足够的和有效的信息共享与重用,即存在所谓的“信息孤岛”问题。
PDM技术在这一背景下,变得愈发重要,因为PDM系统对信息组织和资源管理均围绕产品设计而展开,从而可以实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理,破除“信息孤岛”这一管理困境,进而实现企业的信息集成和过程集成。所以,PDM是当今计算机应用领域的重要技术之一。
PDM系统中的信息通信机制是负责各客户端、系统服务端以及关系数据库之间信息传递的工具,其中,信息是PDM系统中业务处理使用的信息载体。在本文中,如无特别说明,信息通信机制特指PDM系统中的信息通信机制。
信息通信机制在PDM系统中起着举足轻重的作用,信息通信机制的建立,就如同在PDM系统中建立了一座座桥梁,将PDM系统中的数据库、服务器、客户端连接起来,也将PDM系统中数据管理、权限管理、工作流管理等各个功能部分连接起来,如果没有信息通信机制,PDM系统内部仍然会存在着层层壁垒阻挡了用户之间、功能部分之间互通有无、信息共享,所以,正是信息通信机制的建立与应用,使得PDM系统更好地实现了信息的高效共享、重用与集成,从而提高了PDM系统的信息互通程度,也提高了用户协同工作的效率。

先进生产管理技术是指制造型企业在从市场开发、产品设计、生产制造、质量控制到销售服务等一系列的生产经营活动中,为总体配置优化和充分利用制造资源,使企业的综合效益(质量、成本、交货期)得到提高而采取的各种计划、组织、控制及协调的方法和技术的总称。包括先进管理信息系统、物流系统管理、工作流管理、产品数据管理、质量保障体系等。

计划阶段(P阶段)通过市场调查、用户访问等,搞清用户对产品质量的要求,确定质量政策、质量目标和质量计划等。2)执行阶段(D阶段)实施P阶段制定的内容,如根据质量标准进行产品设计、试制、试验、其中包括计划执行前的人员培训。3)检查阶段(C阶段)在计划执行过程中或执行之后,检查执行情况是否符合计划的预期结果。4)处理阶段(A阶段)根据检查结果,采取相应的措施。四个阶段循环往复,没有终点,只有起点。

1.7 并行工程(Concurrent Engineering)的特点及效益

大量实践表明,实施并行工程可以获得明显的经济效益。据统计,实施并行工程可以使新产品开发周期缩短40%~60%,早期生产中工程变更次数减少一半以上,产品报废及返工率减少75%,产品制造成本降低30%~。

特点:(1)并行工程强调面向过程(process-oriented)和面向对象(object-oriented)一个新产品从概念构思到生产出来是一个完整的过程(process)。 (2)并行工程强调系统集成与整体优化。

效益:(1)缩短产品投放市场的时间;(2)降低成本;(3)提高质量;(4)保证了功能的实用性;(5)增强市场竞争能力。

40%。并行设计的目的提高并行系统的计算效率,充分利用系统峰值。

1.8 专家设计系统

非线性规划理论与发动机设计结合产生了优化设计, 它使发动机设计向前迈进了重大的一步,并解决了不少发动机设计实际问题。发动机设计面临着另一场变革,那就是知识工程与发动机设计的结合,即固体火箭发动机CAD专家技术。

针对发动机没计特点,建立了如图2所示的系统。它由用户控制界面、专家系统知识库和专业计算程序三大部分组成。用户主控界面含有信息搜集的知识,在知识库和推理机的帮助下完成三个任务:解释和评估、分类和分解、信息补缺。解释搜集的信息是以设计目标、约束条件和设计变量的形式来进行的。分解是为了减少问题的复杂性。对所搜集的信息进行评估,如果有丢失或不完整的信息可以在信息补缺的任务下提供。

图2 专家设计系统组成和界面

专家系统体现了不精确推理, 而精确的推理则要采用传统的优化设计和专业设计程序。 专家统采用布林克莱法进行热力计算,并把它做成动态连接库,随时可被应用程序调用。燃烧室内按零维进行内弹道计算。 优化则采用复台法或罚函数法进行寻优。

概念设计阶段不考虑装药的具体形状。设计时只考虑装药量、肉厚分数、装药直径、装药长度、 平均燃烧面积和临界喉通比。随后由装药设计程序包来进行装药设计。

建立几种典型的发动机图形库、喷管图形库,以交互式方式选择发动机结构形式,以变量寻优确定主要设计参量。 大量的其它参数在传统的设计中全部由有经验的工程师根据经验确定。 用专家系统来辅助这一过程。

典型专家系统由解释器、规则库和工作存储单元组成。设计问题的规则是专家系统的核心。 工作存储单元表示系统对于目前的研究对象所搜集的知识。 其中的信息来自用户的输入、程序运行的部分结果或推理产生的新事实。工作存储单元中所存事实可以以多种方式, 一般地是以对象-属性-值三要素形式。有些专家系统如(MYCIN)还加一个确定性因子,即:对象属性-值-确定性。对其进行操作。一般来讲规则之间是相互独立的,不发生互相调用。

解释器是工作存储单元和规则库的控制者和组织者,具体包括:将规则读入内存、向用户请求数据输入、维护工作存储单元的事实库、对推理的组织、对于结论的处理。不同的研究对象往往需要不同的推理策略。

主要组成部分组成一个系统。即将被研究对象按其结果特点进行分类,设计了类继承关系。这是一个框架结构,每一个节点是一个类。每个类由以下四部分组成:属性的集合;功能函数或操作;专家分析系统事(实句柄和规则句柄)、命令响应序列。属性的集合是定义目标特征的一组数据,框架系统中谓之槽;功能函数是处理领域问题专有程序,如内弹道计算程序、热力计算程序等;专家系统分析程序含有通过解释器对规则库和事实库进行的各种操作; 命令响应序列定义一系列命令来响应用户的操作。

通过上面的分析可以看出,专家系统和优化设计的结合,可以快速地进行发动机原型设计。 同时也提供了一种保存人类设计经验的有效措旌。 但是, 一个实用的专家系统尚有许多工作要做,例如:设计知识的搜集和整理、方案优劣的评判依据、最优推理和模糊推理等。

1.9 智能设计

智能设计的产生可以追溯到专家系统技术最初应用的时期,其初始形态都采用了单一知识领域的符号推理技术——设计型专家系统,这对于设计自动化技术从信息处理自动化走向知识处理自动化有着重要意义,但设计型专家系统仅仅是为解决设计中某些困难问题的局部需要而产生的,只是智能设计的初级阶段。

近10年来,CIMS的迅速发展向智能设计提出了新的挑战。在CIMS这样的环境下,产品设计作为企业生产的关键性环节,其重要性更加突出,为了从根本上强化企业对市场需求的快速反应能力和竞争能力,人们对设计自动化提出了更高的要求,在计算机提供知识处理自动化(这可由设计型专家系统完成)的基础上,实现决策自动化,即帮助人类设计专家在设计活动中进行决策。需要指出的是,这里所说的决策自动化决不是排斥人类专家的自动化。恰恰相反,在大规模的集成环境下,人在系统中扮演的角色将更加重要。人类专家将永远是系统中最有创造性的知识源和关键性的决策者。因此,CIMS这样的复杂巨系统必定是人机结合的集成化智能系统。与此相适应,面向CIMS的智能设计走向了智能设计的高级阶段——人机智能化设计系统。虽然它也需要采用专家系统技术,但只是将其作为自身的技术基础之一,与设计型专家系统之间存在着根本的区别。

设计型专家系统解决的核心问题是模式设计,方案设计可作为其典型代表。与设计型专家系统不同,人机智能化设计系统要解决的核心问题是创新设计,这是因为在CIMS这样的大规模知识集成环境中,设计活动涉及多领域和多学科的知识,其影响因素错综复杂。CIMS环境对设计活动的柔性提出了更高要求,很难抽象出有限的稳态模式。换言之,即使存在设计模式的自豪感,设计模式也是千变万化,几乎难以穷尽。这样的设计活动必定更多地带有创新色彩,因此创新设计是人机智能化设计系统的核心所在。

设计型专家系统与人机智能化设计系统在内核上存在差异,由此可派生出两者在其他方面的不同点,例如,设计型专家系统一般只解决某一领域的特定问题,比较孤立和封闭,难以与其他知识系统集成,而人机智能化设计系统面向整个设计过程,是一种开放的体系结构。

智能设计的发展与CAD的发展联系在一起,在CAD发展的不同阶段,设计活动中智能部分的承担者是不同的。传统CAD系统只能处理计算型工作,设计智能活动是由人类专家完成的。在ICAD阶段,智能活动由设计型专家系统完成,但由于采用单一领域符号推理技术的专家系统求解问题能力的局限,设计对象(产品)的规模和复杂性都受到限制,这样ICAD系统完成的产品设计主要还是常规设计,不过借助于计算机机支持,设计的效率大大提高。而在面向CIMS的ICAD,即I3CAD阶段,由于集成化和开放性的要求,智能活动由人机共同承担,这就是人机智能化设计系统,它不仅可以胜任常规设计,而且还可支持创新设计。因此,人机智能化设计系统是针对大规模复杂产品设计的软件系统,它是面向集成的决策自动化,是高级的设计自动化。

1)以设计方法学为指导。智能设计的发展,从根本上取决于对设计本质的理解。设计方法学对设计本质、过程设计思维特征及其方法学的深入研究是智能设计模拟人工设计的基本依据。

2)以人工智能技术为实现手段。借助专家系统技术在知识处理上的强大功能,结合人工神经网络和机器学习技术,较好地支持设计过程自动化。

3)以传统CAD技术为数值计算和图形处理工具。提供对设计对象的优化设计、有限元分析和图形显示输出上的支持。

4)面向集成智能化。不但支持设计的全过程,而且考虑到与CAM的集成,提供统一的数据模型和数据交换接口。

5)提供强大的人机交互功能。使设计师对智能设计过程的干预,即与人工智能融合成为可能。

智能型设计在固体火箭发动机设计领域应用尚存在许多问题,例如知识的表达,逻辑推理,自动学习等。目前,专家型设计技术也仅局限于推进剂配方设计。

本书并非完全涉及上述先进设计方法的全部,主要介绍:图形技术应用、CAD技术应用、有限元数值分析技术应用、可靠性技术应用、装药结构完整性分析等。有这些方法需要固体火箭发动机设计技术为基础,并与这些先进设计技术相结合。是其它学科发展在固发设计中的应用,因此需要不断实践。

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

You cannot copy content of this page