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 1

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。 2

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 3

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（Human in loop）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-Aided Engineering）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, Finite Element Analysis)软件。有限元方法(FEM, Finite Element Method)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 4

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（Intelligence Design）[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（Axiomatic Design）[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（Theory of Inventive Problem Solving）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（Active Knowledge Support System）[10-15]最为相近似的方法是知识辅助/辅导系统（Knowledge Support/Tutor System），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 5

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： [1] 路甬祥, 陈鹰. 人机一体化系统与技术立论．机械工程学报,1994，30（6） [2] 路甬祥, 陈鹰. 人机一体化系统与技术--21世纪机械科学的重要发展方向. 机械工程学报, 1994, 30（5） [3] 路甬祥, 陈鹰. 人机一体化系统科学体系和关键技术. 机械工程学报, 1995，31（1） [4] 谭泽飞. 计算机辅助工程（CAE）有汽车工业中的应用. 森林工程,2005 [5] 罗晴岚. 汽车球头销模锻工艺方案. 汽车工艺与材料, 2005 [6] 周济, 查建中, 肖人彬. 智能设计. 北京: 高等教育出版社, 1999 [7] Suh, N P. Axiomatic Design, New York: Oxford University Press, 2001 [8] 檀润华. 创新设计-TRIZ:发明问题解决理论. 北京:机械工业出版社 2002 [9] Stratton, R. & Mann, D. Systematic innovation and the underlying principles behind TRIZ and TOC. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 139(1-3): 120-126 [10] Gore, J W. Distance learning: moving toward online geoscience's classes in Georgia. Computers & Geosciences, 1998, 24(7): 707-712 [11] Studer R, Benjamins R, Fensel D. 1998. Knowledge engineering: principles and methods. Data and Knowledge Engineering, 25 (1-2): 161～197 [12] Hartley, J & Sleeman, D. Towards more intelligent teaching systems. International Journal of Man-Machine Studies, 1973，2, 215-236 [13] Heines, J M & O'Shea, T. The design of a rule-based CAI tutorial. International Journal of Man-Machine Studies, 1985, 23 : 1-25. [14] Sclater, N & Howie, K. User requirements of the "ultimate" online assessment engine. Computers and Education, 2003, 40(3): 285-306 [15] Dean, C & Whitlock, Q. A Handbook of Computer Based Training (third ed.). London: Kogan Page, 1992 [16] 贾焰, 王志英. 知识库系统原理与技术. 长沙: 国防科技大学出版社, 1993 [17] 张健沛. 数据库原理及应用系统开发[M]. 北京: 中国水利水电出版社,1999 [18] 薛华成. 管理信息系统[M]. 北京: 清华大学出版社, 2001 [19] 赵 波. 领域的新技术.知识工程. 上海工程技术大学学报, 2003(3): 64 [20] 高华, 余嘉元.人工智能中知识获取面临的哲学困境及其未来走向, 哲学动态, 2006年第四期 [21] 孔繁胜. 知识库系统原理. 渐江大学出版社, 2000 [22] 曹文君. 知识库系统原理及应用. 上海: 复旦大学出版社, 1995 [23] Y.Malhotra Knowledge Management for business performance advancing information strategic to the internet time. Information Strategic ,the executive Journal ,200,16(4)