有限元分析主动知识辅助机制及知识.docx
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有限元分析主动知识辅助机制及知识
河北科技大学
硕士研究生学位论文开题报告
课题名称：
有限元分析主动知识辅助机制及知识
库建立的研究
研究生姓名：
贾美慧
导师姓名：
刘恩福张锡爱
所在院、系：
机械电子工程学院
学科、专业：
机械制造及其自动化
河北科技大学研究生学院
2006年11月4日
说明
一、硕士研究生开题报告各项内容，要客观实际，逐条认真填写。
表达要明确、严谨，外来语要同时用原文和中文表达。
第一次出现缩写词，须注出全称。
二、硕士研究生开题报告评议组由教授或具有硕士研究生指导教师资格的副教授组成，评议组成员一般不得少于五人。
每个评议组成员应有一位组长。
每个评议组可另有一位记录员，记录员应具有讲师以上（含讲师）职称，并应熟悉相应专业。
三、开题报告应对评议组成员所提出的问题及研究生的回答给出具体、准确的记录。
开题报告结束后，由评议组成员综合评议意见，写出具体评议结论。
并由专业负责人审核签字后，报研究生学院备案。
四、本报告中，研究生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述部分应不少于5000字。
第二页以后各栏空格不够时，可另行加页。
五、根据论文工作的最终研究结果，研究生所提交学位论文的题目可以在本开题报告的基础上有适当改动。
六、本开题报告一式三份，学生个人和导师留一份，学科留一份，交研究生学院学位办一份备案（除签字部分外必须按A4纸打印），研究生学院不负责查询。
姓名
性别
年龄
入学时间
开题时间
贾美慧
女
28
2005年9月
2006年11月
课题来源
河北省自然科学基金资助项目
报告时间
开题报告
评议组成员
姓名
职称
姓名
职称
评议组对课题及报告的评议：
评议组组长：
年月日
专业负责人意见：
专业负责人：
年月日
一、立论依据（所选课题的科学意义和应用前景，国内外研究现状分析，主要参考文献目录）：
1.课题的提出和意义
1.1课题的提出
智能设计是一种知识处理的自动化技术，其初衷在于充分解放人类的智力和大幅度降低智力劳动的强度。
经验证明：
单纯凭借机器智能实现这一愿望的难度过大、效果不佳；必须走人-机智能协作的道路。
[1-3]
针对上述问题，提出机器向人的主动知识辅助系统的研究课题。
拟将该系统加入智能设计中的人-机决策环（Humaninloop）中，从而在不排斥利用人来协助机器进行知识处理的同时，大大降低整个系统对人的预学习知识的要求；进而降低人类的知识劳动成本、提高人机系统的效率、实现真正实用意义上的人机结合。
CAE（Computer-AidedEngineering）作为一项跨学科的数值模拟分析技术，在产品开发、研制和设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工业企业在日趋激烈的竞争中取胜的一个重要条件，越来越受到科技界和工程界的重视[4]。
目前几乎所有的中国汽车企业都采用了CAE技术。
由于CAE软件（有限元软件）涉及较深入的知识，设计工程师对其掌握的程度分布较广泛，故适合做本项目的实例研究。
许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，其主体是有限元分析（FEA,FiniteElementAnalysis）软件。
有限元方法（FEM,FiniteElementMethod）是一种借助计算机进行工程分析的离散化数值方法，这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解[5]。
但要完成这些分析，计算工作量非常之大，往往无法用手工完成，需要借助专用的有限元分析软件进行分析求解。
而对于大多数企业来说，专门拿出时间来让设计人员学习一门新知识，一方面会造成人力物力的浪费，另一方面大大降低了生产效率，为了能减轻设计人员有限元分析知识预学习的负担，开发一个辅助设计人员快速利用有限元分析知识的系统显得尤为重要。
考虑以上情况，本课题拟以强竞争性复杂机电产品的重要零件汽车球头销作为实际例子，针对该产品的设计人员，通过提供有关球头销有限元分析过程中所涉及到的各种知识（包括专业基础知识、材料力学知识、ANSYS有限元分析知识、有限元理论知识等），以提问的方式测试设计人员对有限元分析的知识欠缺进而对其欠缺给予补充，从而使设计人员能够快速利用知识，代替以前的慢速知识预学习，简言之，就是给设计人员提供一个主动知识辅助的工具。
寻求建立一个原型系统，探讨应用模式，解决问题的方式。
1.2课题的来源及应用前景
本课题来源于河北省自然科学基金资助项目：
主动知识辅助系统及其在人机协作智能设计中的应用研究，是该项目的一个子课题。
本人在该课题中的工作是以汽车球头销的有限元分析为实例，实现主动知识辅助系统知识库的建立。
目前全国共有100多家汽车生产厂家，几乎所有的生产厂家都涉及到了球头销的生产，对本课题的研究成果有着较为迫切的应用需求。
汽车生产企业采用本课题的研究成果，可以提高产品的设计、开发速度和设计质量，规范企业的技术管理、缩短产品上市时间，可为应用企业带来可观的经济效益。
同时，本课题的研究成果在提升汽车行业的CAE技术应用水平、推动知识工程在设计中的应用等方面也具有重要的社会效益。
所以我们可以预见到本课题的研究将具有非常广阔的应用前景。
1.3课题的意义
（1）本课题将开发一个针对汽车球头销设计人员，为其提供主动知识辅助学习的工具。
利用该软件，设计人员不仅能够找到自己的知识欠缺，而且可以快速的弥补缺陷，尽快的掌握汽车球头销的有关知识，从而更快更好地设计出可靠的产品。
（2）通过有限元分析过程的三维效果显示，可以辅助设计人员快速掌握有限元分析软件的分析方法；
（3）实现机器知识存储为前台知识利用提供支撑。
通过本课题的研究与实施，将会大大缩短新产品的开发周期，提高新产品的贡献率，提高企业市场竞争力。
2.国内外研究动态
很多近代设计系统与本题所述方法相关，但均没能注意到“主动的知识辅助”研究方向。
这些系统包括：
智能设计、公理设计、创新设计、Triz、知识辅助系统和工具软件的在线帮助系统。
智能设计（IntelligenceDesign）[6]是一种强调知识自动处理的设计方法，其中阐述了人机结合哲理，但是必须丰富可操作的部分才能实现真正的人机结合系统。
公理设计（AxiomaticDesign）[7]和创新设计研究的是设计或者创新设计的一般原则，结论是一种适合人或机器使用的公理方法，与本题的手段关系稍远。
Triz（TheoryofInventiveProblemSolving）是前苏联发明的一种创造性发明技法，它从专利库中总结发明创造的规律并模型化；虽然它的实例部分给人以知识启示，但它的目的还是寻求规律并表达成书本或机器模型化[8-9]。
国际著名Triz专家Savransky博士定义：
Triz是基于知识的，面向人的发明问题解决系统化方法学。
Savransky博士认为，虽然经过了50多年的发展，作为一种技术本身，Triz目前仍处于“婴儿”期，还远没有达到纯粹科学的水平，称之为“方法学”是合适的。
他认为Triz目前及今后的发展趋势为：
Triz本身的完善及新的研究分支两个方面。
其中与本课题提出的主动知识辅助系统（ActiveKnowledgeSupportSystem）[10-15]最为相近似的方法是知识辅助/辅导系统（KnowledgeSupport/TutorSystem），但它是一种知识辅助的预学习方法，而不是主动或在线的知识辅助方法。
按照其创始人的提法，该类系统包含了三部分知识：
*关于领域的知识；
*关于学生的知识；
*关于教学的知识。
这种系统只适合预学习。
而主动知识辅助系统除包括以上三部分知识外还包括：
关于当前工具系统及其任务类型的知识。
知识库的研究是目前计算机科学研究的前沿，是近30年发展起来的一门综合性的学科，它将计算机技术（大容量的存储器）、数据库技术、网络技术和人工智能技术的最新成果集于一体，知识库技术的发展也将促进这些相关技术的深入发展[16]。
目前，人们已在该领域中展开了广泛深入的研究，美国的星球大战计划，欧洲伪尤里卡计划和我国的“863”高技术计划，都将知识库系统的研究列为重要的研究课题，并投以大量的经费。
国内外的大专院校也纷纷开设了关于知识库系统技术的课程．知识库系统的重要性正日趋显著，引起了人们广泛的兴趣和重视。
目前美国和欧洲已在大型知识库系统的开发上投入了巨额的人力和财力，目标是建立大型的、易维护和可重用的知识库系统。
影响较大的有美国军方DARPA投资的HPKB及欧洲数国联合开发的IBROW。
参考文献：
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二、研究内容，预期目标或成果（具体说明课题研究内容，要重点解决的关键问题和本课题所要达到的目标或要取得的成果）：
1.研究内容
所谓主动知识辅助系统，其思路是：
在人机自动化设计系统中，虽然机器系统不可以代替人类进行那些人类适合的工作，但是系统可以判断使用者的知识结构，并主动地提供知识辅助。
主动知识辅助系统的目的关键是降低设计工程师不必要的知识预学习负担，而使其将真正精力集中到真正适合人类思维处理的地方。
该子课题是拟开发一个为汽车球头销设计人员提供主动知识辅助的原型系统，本人在此课题中的主要研究内容是以球头销有限元分析为例的主动知识辅助系统的知识库的建立，其内容包括：
（1）构建总体框架（如图2-1所示）
（2）知识收集
（3）知识存储
（4）知识库的建立
1.1构建总体框架
图2-1
1.2知识收集
知识收集包括以下内容：
（1）球头销相关知识
（2）材料力学知识
（3）ANSYS有限元分析知识
（4）有限元理论知识
1.3知识存储
知识库的存储结构主要有顺序文件、树型结构文件、HASH文件等文件管理系统模型和关系数据库模型。
早期的知识库多采用文件管理系统，但这种方式存在一定的缺陷，顺序文件便于编辑但搜索效率低、结构不清晰，树型文件和HASH文件搜索效率高但不便于编辑。
关系数据库以二维表格的形式描述事物的属性和不同事物间的联系，可以方便地表示基于前提、结论的因果判断二元关系，结构简单、清晰。
经过多年发展，关系数据库形成了一套独立的理论支持体系和完整的管理体系，不仅增加、修改、删除等维护操作方便，而且检索效率高，还能保持数据的一致性、安全性[17]。
目前，基于关系数据库模型的数据库技术比较成熟，Oracle、Sybase、Informix、DB2、SQLServer等关系数据库系统得到了广泛应用，因此，本课题的知识库存储结构采用关系数据库模型。
1.4知识库的建立
知识库的建立过程如图2-2所示：
图2-2
（1）获取初始的领域知识
（2）建立知识库原型（3）利用知识库原型求解样本问题（4）领域专家评议原型系统执行的结果（5）若知识库是完备、正确的，退出〔6）专家指出知识库缺少的知识（7）获取所缺少的知识（8）把新获取的知识加入知识库。
知识库是一种数据结构，它存储有关领域世界的知识。
它的主要功能是对知识进行存储和管理，是事实、规则和概念的集合。
知识库建立涉及知识获取、知识表示和知识管理三部分内容[18-19]。
（1）知识获取
所谓知识获取（KnowledgeAcquisition，简称KA）就是把问题求解的专门知识（如事实、经验、规则等）从专家头脑或其他知识源（如书本、文献）中提取出来，然后将之转换成计算机系统内部表示的转换过程。
综合而言，KA的任务是：
获取领域专家或书本上的知识，在对其理解、选择、分析、抽取、汇集、分类和组织的基础上，转换成某种形式的系统内部表示；对已有的知识进行求精；检测并消除已有知识的矛盾性和冗余性，保持知识的一致性和完整约束性；通过某种推理或学习机制产生新的知识，扩充知识库。
知识获取是知识库系统实用化中最难解决的一个关键，成为建立知识库系统的一个瓶颈部分。
根据系统所具有的推理能力的不同，知识获取大体有三种方法：
即人工获取、半自动获取或自动获取方法。
1人工获取：
即知识工程师和领域专家合作搜集有关领域知识和专家知识并通过分析、综合、整理、归纳后以某种表示形式存入知识库。
2半自动获取：
此法是利用专门的系统，采取提示、指导或问答的方式、把专家描述的内容翻译成所需的知识形式，并记入知识库。
系统一般采用交互式对话的方式，帮助专家提取、归纳有关知识，并将其存入知识库中。
3自动获取：
这种方法具有从已有知识获得新知识的能力，又称为具有推理能力的方法[20]。
目前在研究的解决该难题的各种对策方法中、利用计算机学习来实行自动或半自动的知识获取是最理想的目标。
本知识辅助系统的知识获取主要是采用人工获取与半自动获取相结合的方法。
（2）知识表示
所谓知识表示就是为了描述世界所作的一组约定，是知识的符号化和形势化过程。
知识表示方法就是研究如何设计各种数据结构，以便将已获取的知识以计算机内部代码的形式加以合理地描述和存储。
知识表示必须使人容易了解，除了分散的个别的知识容易理解外，还要求使整体的知识容易理解，即要求知识表示具有层次化、模块化、网络化，统称为知识的结构化。
常用的知识表示方法很多，常用的有产生式规则、语义网络、框架和面向对象等等。
产生式规则表示法：
是目前许多智能系统采用的知识表示方法。
其特点是：
有效表达过程性知识、可自然地表达知识、规则的独立性、易于实现试探性推理，但它不适合表达结构性知识、解释能力存在局限性、对大型知识库的推理效率较低。
语义网络表示法：
其特点是实现知识的深化表达、知识的结构化组织、自然性，但其有非清晰性和非有效性的缺点，管理和维护通常十分复杂。
框架表示法是将某类对象的所有知识组织在一起的一种通用数据结构，而相互关连的框架连结组成框架系统，是一种理想的结构化层次知识表示方法。
面向对象的方法集数据抽象机制、模块化程序设计和继承性为一体，创立了一种新的程序设计模式。
其基本出发点为按照人类认识客观世界的方法和思维方式来分析与解决问题，所以很自然地符合人类的认识规律。
本课题拟采用产生式规则、框架表示和面向对象表示三种方法相结合的知识表示方法。
（3）知识管理
知识库应具备的管理功能包括：
①知识表示功能。
应能提供用户一种或多种知识表示方法。
②知识的系统化组织管理。
包括事实管理、规则管理和概念管理。
③知识的获取与学习功能、知识的编辑功能。
在获取新知识的过程中要对知识的完整性、新旧知识的一致性进行处理。
④向用户提供对知识项进行查询、检索的功能。
还应能对用户的查询请求进行语法检查，并给出出错信息。
⑤知识库组织同应用程序分开、知识具有独立性。
不同的用户可以使用相同的知识．知识库中存贮的知识是可以共享的。
⑥知识的维护与诊断功能。
包括日常的系统事务管理、出错处理等。
⑦知识库的安全控制和用户的使用权限管理。
以防止不合法的操作而损坏知识库[21-24]。
2.关键问题
本题拟解决的关键问题是：
探索“主动知识辅助系统”的知识表示及知识管理方法的研究。
3.创新点
接触有限元分析过程中的知识结构化分层表达在主动知识辅助系统中的应用。
4.预期目标
本课题的研究目标是：
建立完善的知识库，为知识利用打下良好的基础，确保“主动知识辅助”系统的实现和集成，进而确立一种人-机智能协作的现实系统，达到显著改善智能设计系统的效能和实用性的目的，并据此争取获得一种具有软件产业化潜力的智能设计软件系统的基础原型。
所谓“效能和实用性”指开发的系统为设计人员所接受和自愿使用；所谓“软件产业潜力”指使原型系统具有软件制作上的商业经济潜力。
三、拟采用的研究方法、技术路线、试验方案、可行性分析及研究进度安排：
1.研究方法
本课题采用有限元分析软件作为实例，以实际企业中设计工程师在该领域的知识结构为数据基准，在系统建立中探索系统的性能和建立原则。
具体方法是：
基于球头销ANSYS有限元分析的相关知识，通过MicrosoftSQLServer关系型数据库管理系统实现知识的存储，利用JAVA语言开发友好的人-----机交互界面，从而有效地为设计人员提供高效的主动知识辅助。
2.技术路线
3.实施方案
系统开发通过对汽车球头销ANSYS有限元分析过程的研究，综合运用各种领域知识（领域设计原理和知识、专家经验等知识型设计资源），通过提问的方式测试设计人员的知识欠缺，快速提供给设计人员以知识辅助。
系统构建采用三层结构，以ANSYS有限元分析软件、数据库管理系统SQLServer和Java程序设计语言作为支撑平台，以工具集和基础库的形式支持系统功能的实现[25-26]。
如下图所示：
3.1ANSYS有限元分析软件
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛地用于核工业、铁道、石油化工、航天航空、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利和日用家电等一般工业及科学研究。
它通过分析结构受到外力载荷后所产生的反应，如位移、应力、温度等，便可以知道结构受到外力负载后的状态，从而判定结构是否符合设计要求。
该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：
结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令等功能[27-29]。
3.2SQLServer简介
SQL是StructureQueryLanguage（结构化查询语言）的缩写，它是一标准的数据库查询语言，支持关系数据库管理系统中数据的定义、管理和控制，最早是由IBM公司于1970年开发出来，后来经由美国ANSI协会采用作为数据库的查询（Query）、删除（Delete）、增加（Append）、修改（Update）等处理的标准计算机语言格式[30]。
SQL语言是以接近英语语法的格式设计出来适用于数据库运行的一种计算机语言，所以学习起来比较容易。
4.可行性分析
理论上，宏观研究所需要的文献、观点众多，可以得到，分析也不存在障碍。
微观研究的可采用调查和材料统计的方法，也不存在障碍。
需要的技术手段主要是统计、对比、观察、调查和编程，没有过大的技术障碍。
另外，用到的计算机技术也成熟，可以保证方法的可
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