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– 第二级 

基于知识工程的设计 

• 第三级 

– 第四级 

»第五级 

航空宇航学院 

1



• 基本概念 

– 第二级 

–知识工程 

• 第三级 

–基于知识工程 

提纲 

– 第四级 

–基于知识工程的参数化设计 

»第五级 

• 面向多学科设计优化的知识工程 

–概念 

–意义 

–方法 


2



• 知识工程(Knowledge Engineering)是人工智 

– 第二级 

能的一个分支,主要研究: 

• 第三级 

–知识的获取 

– 第四级 

–知识的表示 

–知识的利用 

• 目的 

»第五级 

知识工程 


–从基于推理的模型转向基于知识的模型,开发人工 

智能系统,使人工智能的研究从理论转向应用。 

3



• 知识的获取 

– 第二级 

知识工程 

–与专家进行交流获取知识; 

– 第四级 

»第五级 

– 通过机器学习或数据挖掘获取知识。 


– 从书本中获取:设计规范、标准、图表、经验公式、尺寸关 

联、尺寸约束等; 

• 第三级 

• 知识的表示 

– 经验公式 

– 规则 

– 框架 

– 

4


基于知识工程 


• KBE 是利用AI、IT 和计算机工具来解决工程问题的方法, 

它将设计、制造和与客户相关的知识融合在一起, – 第二级 

尽可能 

实现自动创建几何模型的功能。(福特汽车公司 • 第三级 

) 

– 第四级 


• KBE是计算机辅助工程领域的一个进步, »第五级 

是一种将面向对 

象方法、AI 和CAD 技术三者集成的工程方法, 能够提供设 

计过程客户化、变量化和自动化的解决方案。(欧洲) 

KBE=AI + CAD + OO 

5



• 参数化设计 

基于知识工程的参数化设计 

– 第二级 

– 将原有设计中某些尺寸(如定形、定位或装配尺寸)定义为变量, 

修改这些变量的同时由一些简单公式计算出并变动其他相关尺寸, 

• 第三级 

计算机根据这些新的参数值自动完成产品设计。 

– 第四级 

– 优点: 

»第五级 

• 产品模型的可变性、可重用性; 

• 提高了设计效率,具有一定的自动化设计功能。 

– 不足: 


• 仅仅描述了设计产品的可视形状, 不包含设计者的设计思想,设计 

意图和企业规范不能够清晰地表达出来。 

• 自动化功能不够强大,只能修改零件的几何尺寸, 而零件的特征几 

乎不能改变; 自定义变量相互独立, 不便建立变量之间关系式, 使 

参数化设计不能得到充分体现。 

6




• 基于知识工程的参数化设计 

– 第二级 


–把设计原理、准则、规范和经验等知识结合到CAD 

系统中, • 第三级设计人员只要输入工程参数和设计要求, 

系统就能依据相关的知识, – 第四级 

自动推理出符合要求的 

数字化几何模型。 »第五级 

设计知识库 

检验知识库 

确定参数 

建立参数化模型 

建立参数之间的关系 

检查 

7




• CATIA 知识工程顾问模块 

– 第二级 

– 目的 

– 方式 

• 第三级 

– 第四级 

»第五级 


• 将隐含的设计实践嵌入整个设计过程,并转化为明确的知识。 

• 将设计标准、尺寸关联、尺寸约束、特征关联等信息,用知识工程顾 

问模块提供的公式(Formulas) 、规则(Rules) 和检查(Checks) 等 

方法表达成模块化的面向对象的高级语言代码。 

• Formulas:通过函数公式表示待定变量与自定义变量和其它一些参 

数之间的关系,借助函数公式驱动尺寸值。 

• Rules:通过编写程序代码,有条件地改变尺寸的值,有条件地激活或 

隐藏特征,从而实现尺寸驱动和特征驱动。 

• Checks: 着重标明在校验过程中涉及的参数,从而方便地确认违反 

了哪一条行业设计标准或(设计约束)。 

8




– 第二级 

• 第三级 

– 第四级 

»第五级 


9




– 第二级 

• 第三级 

– 第四级 

例子:机翼参数化设计 

»第五级 


10




• 优点: 

– 第二级 

–有利于企业设计知识的保存。 

• 第三级 

–能将设计意图、经验和企业规范能够清晰地表达出 

– 第四级 

»第五级 

来,有利于继承和创新。 

–提高设计系统的自动化程度。 

• 实用例子: 


–航空工业:飞机零件(波音),翼肋(611所) 

–汽车工业:保险杠、踏板组件、悬架等。 

11


MDO系统中的KBE 


– 第二级 

• MDO系统的回顾 

• 第三级 

– 第四级 

• MDO系统中的KBE的作用 

»第五级 

• 在MDO系统中与KBE有关的研究内容 


12



– 第二级 

• 第三级 

飞机MDO系统框架 

– 第四级 

»第五级 


优化主流程面向多学科的模型各学科设计优化 

概念设计的结果 

全局参数化定义 

试验设计 

方案结果 

代理模型 

全局变量优化 

精度检验 

气 

动 

学 

科 

输 

入 

文 

件 

N个CAD模型气动设计优化 

生成各学科所需 

的数据文件 

结 

构 

学 

科 

输 

入 

文 

件 

… 

成 

本 

模 

型 

输 

入 

文 

件 

结构设计优化 

内部布置、重量重心 

性能计算 

稳定性、操纵性 

隐身设计优化 

推进系统 

成本(可制造性) 

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• 有助于自动生成飞机模型 

– 第二级 

– 外形模型 

– 操纵面模型 

• 第三级 

– 结构布置模型 

– 内部装载布置 

KBE在MDO系统中的作用 

– 第四级 

»第五级 

• 有助于自动生成各学科分析/优化所需的输入文件 

– 气动分析(FLO22, MGERO,AVL)输入文件 

– Patran/Nastran的输入文件 

– RCS分析输入文件 

– 操稳分析(DATCOM)输入文件 

– 成本分析的输入文件 

– 


• Generative model 

( ICAD ) 

• MMG ( Multi-Model 

Generator, UT Delft) 

• 模型生成器 

• 产品模型多视图 

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– 第二级 

• 第三级 

– 基于知识工程的飞机结构布置 

– 基于知识工程的飞机内部布置 

– 第四级 

»第五级 


在MDO系统中与KBE有关的研究内容 

• 在飞机造型方面: 

– 基于知识工程的飞机外形参数化模型 

• 在自动生成各学科分析模型方面: 

– 基于知识工程的自动化气动分析与优化 

– 基于知识工程的自动化结构有限元分析与优化 

–基于知识工程的自动化RCS分析 

– 基于知识工程的自动化成本分析 

– 基于知识工程的自动化操稳分析 

– 

15



– 第二级 

• 第三级 

– 第四级 

例子(TU Delft) 

»第五级 


Role of the MMG in the MOB project design engine 

16



– 第二级 

• 第三级 


– 第四级 

»第五级 


Generation of consistent models for high and low fidelity aerodynamic analysis 

17



– 第二级 

• 第三级 


– 第四级 

»第五级 


Two structural models generated by the MMG for different analysis tools 

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生成的机翼参数化外形 


– 第二级 

• 第三级 

– 第四级 

»第五级 


客机机翼气动-结构模型自动生成 

提取剖面翼型数据 

气动优化 

CFD计算结果 

生成的机翼结构参数化模型 

结构有限元模型 

结构优化结果 

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– 第二级 

气动分析/优化 

无人机多学科模型自动生成 

• 第三级 

– 第四级 

»第五级 

CAD模型 


总体布置/重量重心 

隐身分析/优化结构布置/优化 

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开发模型生成器应具备的知识与技能 


• 飞机设计知识 

– 总体设计知识(外形、总体布置、内部布置、) 

– 第二级 

– 结构设计知识(结构布置,结构件特点) 

• 第三级 

• 基于知识工程(KBE)的概念 

• 各学科软件的使用 

– 第四级 

»第五级 

– CAD软件:CATIA 

– CFD软件:AVL,PanAir,FLO22,MGAERO, FLUENT 

– FEM软件:Patran/Nastran 

– RCS分析:RCS-Panel, XFDTD 

– 操稳分析:DATCOM,AVL 

• 编程技能 

– CATIA二次开发(VB, VC, Excel) 

– 面向对象编程 


21



– 第二级 

• 第三级 

– 第四级 

参考文献 


• J. D. Binder, Knowledge-based engineering: Automating the process, Aerospace America, 

Mar 1996 

• G. La Rocca and M.J.L. van Tooren, Enabling distributed multidisciplinary design of 

complex products: a Knowledge Based Engineering approach, Int. J. Design Research, 

2007 

• 崔德刚,吴广茂,飞机制造业需要大力推进知识工程,飞机工程,2005年第4期:62-65 

• 陈军,石晓祥,赵震等,KBE 关键技术及其在现代模具智能设计中的应用,锻压技术, 

2003 年第4 期:47-50 »第五级 

• 赵东,孔慧敏,基于知识工程的船体结构参数化设计,造船技术,2005 年第1 期:5-7 

• 顾晓华,仲梁维,基于知识工程的参数化设计,机械设计与制造工程,2001 年7 月,30 

(4 ):17-18 

• 丁良旭,徐宗俊,郭钢,基于知识工程的客车造型参数化设计研究,汽车技术,2002年第 

11期:14-17 

• 陈明星,沈萌红,CATIA 环境下基于知识的机械产品参数化造型设计研究,机械,2003 

年,30 (6):17-18 

• 陈建农,CATIA Product Knowledge Template应用实例研究,CAD/CAM制造业信息化, 

2003年12月,42-45 

22

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