支持強(qiáng)度分析的輕量級材料數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與開發(fā)

王曉輝 王立凱 常 亮 聶小華

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 陜西 西安 710065)

0 引 言

“材料基因組計劃”MGI(Materials Genome Initiative)是美國總統(tǒng)奧巴馬在2011年6月24日提出，旨在“將先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、制造和使用的速度提高一倍”。該計劃主要包括三大系統(tǒng)：高通量材料計算系統(tǒng)、材料性能表征與測試技術(shù)系統(tǒng)以及材料設(shè)計性能數(shù)據(jù)庫與信息平臺系統(tǒng)，其中材料數(shù)據(jù)庫是必不可少的重要部分[1-5]，其用途主要為材料計算模擬和材料實驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實驗依據(jù)，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析和性能評定提供有力工具和數(shù)據(jù)支撐。材料是整個國防工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，材料數(shù)據(jù)庫的研究和開發(fā)則是工業(yè)現(xiàn)代化的重要方面。伴隨著工業(yè)技術(shù)和制造業(yè)的迅猛發(fā)展，材料已成為當(dāng)今社會的戰(zhàn)略性資源[6]。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，采用有限元分析技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)度分析與評定已成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的標(biāo)準(zhǔn)流程之一。其中在有限元分析中，材料數(shù)據(jù)直接決定了分析的準(zhǔn)確性，因此材料數(shù)據(jù)庫技術(shù)就變得更為重要。

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展和材料科學(xué)的進(jìn)步，材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已成為衡量現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)計和制造業(yè)水平的重要指標(biāo)[7-8]。國外材料數(shù)據(jù)庫發(fā)展起步較早，特別是歐美等發(fā)達(dá)國家。比如：美國的MatWeb數(shù)據(jù)庫[9]、Granta MI軟件平臺[10]、先進(jìn)材料及制備技術(shù)中心(AMPTIAC)[10]等；歐洲材料中心的聚變材料性能數(shù)據(jù)庫[11]; 荷蘭PETTER歐洲研究中心的高溫?zé)釋W(xué)材料數(shù)據(jù)庫(MatDB)[12];日本國家材料科學(xué)研究院(NIMS)建立的“材料數(shù)據(jù)平臺”[13]等。在國內(nèi)，材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展比較緩慢，尤其在材料理論與設(shè)計方面遠(yuǎn)落后于歐美發(fā)達(dá)國家。雖然近年來，在信息化建設(shè)的支持下，國內(nèi)相關(guān)科研院所建立了一批數(shù)據(jù)庫，包含EASE4.4新增中國吸聲材料數(shù)據(jù)庫[14]、北科大支持構(gòu)建的自然腐蝕材料數(shù)據(jù)庫[10]、中科院開發(fā)的核反應(yīng)堆材料數(shù)據(jù)庫平臺NRMD[15]、北京航空材料研究院建立的先進(jìn)復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫[16]等。但在航空領(lǐng)域，隨著新型飛機(jī)的出現(xiàn)，超高的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)促使飛機(jī)的設(shè)計與分析變的精細(xì)化，對新材料的性能提出了更多、更高的要求，也使得材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展顯現(xiàn)出一些問題：一方面，有限元分析類型已從傳統(tǒng)的載荷模型分析過渡到精細(xì)化模型分析，其中分析使用的參數(shù)類型不局限于傳統(tǒng)的通用材料數(shù)據(jù)庫具備的材料的彈性模量和泊松比等材料參數(shù)，逐漸引入了材料的各項異性性能，并向金屬斷裂損傷，復(fù)合材料分析等方向發(fā)展；另一方面，大多數(shù)商軟或者軍用材料數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)完整，性能優(yōu)越，但由于技術(shù)封鎖，更新落后和虛高價格使得國內(nèi)進(jìn)口或購買變得困難，大幅增加了維護(hù)和管理成本。因此，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)分析，材料數(shù)據(jù)來源可靠，維護(hù)成本低廉，開發(fā)周期短，自主知識產(chǎn)權(quán)將是未來工程材料數(shù)據(jù)庫開發(fā)的重要方向。

鑒于此，本文主要針對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析流程，以SQLite為數(shù)據(jù)庫平臺，基于Visual Studio 2010和Qt圖形框架，開發(fā)了一個支持精細(xì)強(qiáng)度分析的輕量級工程材料數(shù)據(jù)庫，使其能對材料參數(shù)進(jìn)行查詢、分析、比較和插值擬合，同時具備構(gòu)建材料模型的功能，使之與有限元分析軟件緊密結(jié)合，有效地節(jié)約分析時間和成本。

1 設(shè)計目標(biāo)

工程材料數(shù)據(jù)庫通過采用Visual Studio 2010和Qt圖像框架進(jìn)行編碼實現(xiàn)，完成對SQLite數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建的材料性能參數(shù)表的調(diào)用，設(shè)計目標(biāo)應(yīng)該從數(shù)據(jù)完整性、功能需求和應(yīng)用分析三個方面考慮。

1.1 數(shù)據(jù)完整性

? 收集國內(nèi)航空常用材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)，涵蓋了典型金屬、蜂窩、復(fù)材、鋪層模板、橡膠以及特殊材料等多種牌號的材料數(shù)據(jù)，包括這些材料的物理性能、力學(xué)性能、工藝性能、試驗性能、化學(xué)性能以及基本成形性能等多層次材料參數(shù)。

? 包含材料可追溯性參數(shù)，如廠家、試驗人員、日期等數(shù)據(jù)背景信息。

1.2 功能需求

? 在SQLite中按上述性能分類的層次關(guān)系創(chuàng)建材料數(shù)據(jù)表，以材料牌號(底層采取唯一ID標(biāo)識)作為主鍵，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)表的內(nèi)容，將材料信息存入表中，并支持?jǐn)?shù)據(jù)庫刪除、修改、查詢等操作。

? 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中包含數(shù)據(jù)插值擬合算法，根據(jù)有限的離散化的試驗數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)插值的方式提供仿真分析需要的數(shù)據(jù)曲線。

1.3 應(yīng)用分析

? 具備良好的跨平臺特性，實現(xiàn)豐富的軟件功能，發(fā)展成為各類材料數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺的集成模塊，增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用范圍。

? 具備良好的擴(kuò)展接口，按照不同分析類型構(gòu)建對應(yīng)的材料模型，針對HAJIF、NASTRAN等有限元模擬軟件輸出材料模型文件。

基于以上設(shè)計目標(biāo)，該材料數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)數(shù)據(jù)概念結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)概念結(jié)構(gòu)模型

程序設(shè)計采用層次化的三層體系結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計技術(shù)，如圖2所示，將數(shù)據(jù)庫劃分為界面層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層三層[17]。界面層用于實現(xiàn)人機(jī)交互；業(yè)務(wù)層屬于整個數(shù)據(jù)庫的核心,可將接收到的界面層傳遞過來的操作信號, 按照特定的業(yè)務(wù)邏輯發(fā)送給數(shù)據(jù)層實現(xiàn)用戶意圖；數(shù)據(jù)層可實現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)庫的訪問和調(diào)用。

圖2 數(shù)據(jù)庫三層體系架構(gòu)

2 輕量級工程材料庫的建立

2.1 數(shù)據(jù)的收集及獲取

材料數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)獲取方式主要來源于國內(nèi)外權(quán)威的材料手冊和書籍以及學(xué)術(shù)論文，如《金屬材料性能的確定與標(biāo)準(zhǔn)化(上/下冊)》[18]《飛機(jī)設(shè)計手冊》[19]等，也有部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于有限元模擬軟件和材料試驗。其中，在紙質(zhì)版的材料手冊和書籍當(dāng)中，很多的材料性能參數(shù)往往以曲線圖片的格式給出，在此可以通過圖片曲線數(shù)值化軟件GetData Graph Digitizer處理。如圖3所示，導(dǎo)入15-5PH不銹鋼在不同熱處理狀態(tài)的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖片，首先選擇GetData工具欄“Set axis scale”操作設(shè)置坐標(biāo)軸范圍，其次選擇工具欄“Point capture mode”操作進(jìn)行圖片曲線數(shù)據(jù)采集，結(jié)果見表1。以此對同一溫度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值擬合，可以得到更多材料數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

圖3 材料曲線圖片數(shù)據(jù)采集界面

表1 15-5PH不銹鋼不同熱處理狀態(tài)和應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力值

三次樣條數(shù)據(jù)擬合算法原理：已知平面上n個離散點(diǎn)(xi,yi)(i=1,2,…,n)，其中x1

經(jīng)過編碼實現(xiàn)，通過三次樣條插值可得到分段的插值多項式，數(shù)據(jù)擬合效果如圖4所示?？梢钥闯?，數(shù)據(jù)擬合既增加了數(shù)據(jù)選取范圍，又可以方便地通過插值多項式計算獲取所需要的材料參數(shù)。

圖4 插值擬合后的15-5PH不銹鋼不同熱處理狀態(tài)對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過收集及試驗獲取材料數(shù)據(jù)，最終確定了266種材料數(shù)據(jù)和1 788種的復(fù)材鋪層數(shù)據(jù)模板，如下為收集的材料的牌號及名稱：

? 鋁: 2024，2219，5052，7075，LC4，LC9

? 鎂: AZ31，MB15

? 特種鋼: AISI4140

? 不銹鋼: 0Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti，2Cr13Ni14Mn9，1Cr13，2Cr13，1Cr17Ni2, 15-5PH

? 鈦: Ti6Al4V，TA1，TA2，TC1，TC3，TC4，TB3

? 鈹: SF200D，Be S200F，AlBe162，AlBe140

? 銅: T2，T3，Ti153，Ti533，Ti6Al2Sn4Zr2Mo

? 高溫合金: Inconel718，Inconel Alloy 600，A-286，Hastelloy X，Rene41，Haynes 188，GH1035，GH1140

? 紙蜂窩: 1/8-Paper-.004

? 鋁蜂窩: 1/4-5052-.007N

? 鈦蜂窩: 1/4-75A-.002

? 鋼蜂窩: 1/4-17-7PHA-.002

? 復(fù)材蜂窩: ECK-1/8-2.5 (1.4)，ECA-1/8-3.0 (2)，ECK-R-3/16-3.0 (1.8)，ECK-1/8-5.0(2.8)

? 合金蜂窩: Ti-3Al-2.5V_.002_3/16，Ti-3Al-2.5V_.002_1/4，Ti-3Al-2.5V_.002_1/8，Ti-3Al-2.5V_.002_3/8，IN617_.002_3/8

? 石墨環(huán)氧樹脂: IM7/977-2，M46J/7714，

IM7/977-2，AS4/3502，IM7/8551-7，

IM7-5250-5，Gen/PMR-15，T650/PMR-15

? 鈦基復(fù)材: SCS-6/Ti21S，SCS-6/Ti-15-3-3

? 陶瓷基: Carbon/Carbon CC137

? 復(fù)材鋪層模板: 包含航空常用鋪層模板數(shù)據(jù)，按照鋪層角度和層數(shù)進(jìn)行劃分

? 天然橡膠: 1140,1141，1142,1143,1144,1150,1151,1152,1180,

? 丁苯橡膠: 3160,3180,3383

? 氯丁橡膠: 4150,4160，4161,4162,4170,4171,4172,4190

? 丁腈橡膠: 5160,5170,5172,5180，試5171，P106

? 乙丙橡膠: 8360,8370,8380，E-2-90

? 硅橡膠: 6141,6142,6143,6144，G105,G168

? 氟硅橡膠: G401,G409,G441

? 氟橡膠: FX-4，F(xiàn)X-5，F(xiàn)X-10,F275，F(xiàn)370

每一種材料都包含了材料的物理性能參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)，以及與溫度相關(guān)的參數(shù)曲線和材料的本構(gòu)模型等。這些參數(shù)可以直接用于數(shù)據(jù)庫的開發(fā)以及有限元模擬時材料模型的構(gòu)建。

2.2 數(shù)據(jù)的存儲

SQLite數(shù)據(jù)庫具有小巧、開源、易用、高效等特點(diǎn)，無需安裝，維護(hù)方便[20]，很大程度上減輕了開發(fā)技術(shù)人員的工作量，可以滿足輕量級工程材料庫對于數(shù)據(jù)傳輸和存儲效率的要求。因此，通過對材料數(shù)據(jù)信息劃分歸類，進(jìn)行了材料數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計。在SQLite中建立了名為.db的數(shù)據(jù)庫文件，在該數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建7個數(shù)據(jù)信息表和7個對應(yīng)的性能參數(shù)表，分別存儲材料數(shù)據(jù)信息和材料性能參數(shù)等，各數(shù)據(jù)表之間通過主鍵(材料編號ID)相互關(guān)聯(lián)。

3 材料數(shù)據(jù)庫的開發(fā)

基于功能需求分析，材料數(shù)據(jù)庫的開發(fā)主要在Visual Studio 2010框架下采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想進(jìn)行開發(fā)，包含數(shù)據(jù)庫界面設(shè)計、界面交互、業(yè)務(wù)功能處理和SQLite數(shù)據(jù)庫的封裝，具體用到以下工具：

? 計算機(jī)操作系統(tǒng)：Windows7 64位系統(tǒng)。

? 編程語言及第三方庫：C++、Qt，Qwt。

? 編程開發(fā)平臺：Visual Studio 2010，SQLite Expert Professional。

3.1 用戶界面的設(shè)計開發(fā)

本文在C++編程框架下，將以用戶為中心的設(shè)計思想和功能分析思想進(jìn)行融合[21-22]，基于Qt進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫軟件的用戶界面設(shè)計與開發(fā)。其中QT作為一個面向?qū)ο蟮膱D形用戶界面應(yīng)用程序框架，以其良好的跨平臺移植性能而著稱，具有較好的封裝性和強(qiáng)大的API，豐富的函數(shù)庫和擴(kuò)展類可以為開發(fā)人員提供方便的調(diào)用，進(jìn)行組件編程[21]。另外，Qt擁有的信號與槽機(jī)制，操作簡便靈活，可實現(xiàn)對象間的數(shù)據(jù)響應(yīng)和通信，完成界面交互，且界面事件獨(dú)立于其他事件循環(huán)，執(zhí)行效率很高[23-24]。

如圖5所示，Qt所具備的控件可匹配主界面(QMainWindow 或QDialog)的所有顯示元，如菜單欄(QMenuBar)、工具欄(QToolbar)、結(jié)構(gòu)樹(QTreeWidget)、按鈕(QPushButton)、輸入框(QLineEdit)、標(biāo)簽(QLabel)和二維曲線(QwtPlot)等，滿足了數(shù)據(jù)庫軟件操作和界面美觀的要求。對于具體材料定義，不僅包含輸入?yún)?shù)，還有基于試驗數(shù)據(jù)通過三次樣條插值擬合的二維曲線，可通過鼠標(biāo)拾取獲得感興趣的性材料參數(shù)。對于具體材料都有一個材料參數(shù)定義界面(QDialog)，不僅包含輸入?yún)?shù)，還有基于試驗數(shù)據(jù)通過三次樣條插值擬合的二維曲線，可通過鼠標(biāo)拾取獲得感興趣的性材料參數(shù)。

圖5 材料數(shù)據(jù)庫主界面

對于具體材料，如圖6所示都有一個材料參數(shù)定義界面(QDialog)，不僅包含輸入?yún)?shù)，還有基于試驗數(shù)據(jù)通過三次樣條插值擬合的二維曲線，可通過鼠標(biāo)拾取獲得感興趣的性材料參數(shù)。

圖6 材料數(shù)據(jù)定義界面

3.2 SQLite數(shù)據(jù)庫封裝

執(zhí)行層主要通過封裝程序接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問的功能，因此需要建立數(shù)據(jù)執(zhí)行引擎。

3.2.1 核心對象

database_connection和prepared_statement是SQLite中最主要的兩個對象[25]，主要用在各個SQLite具體操作中。其中，數(shù)據(jù)庫基本操作涉及到的標(biāo)準(zhǔn)接口見表2。

表2 SQLite標(biāo)準(zhǔn)接口

3.2.2 二次封裝

將SQLite數(shù)據(jù)庫的API二次封裝為適合調(diào)用的擴(kuò)展類DbSqlite的接口函數(shù)(見表3)。通過在Visual studio2010建立工程項目，編譯Win32/64平臺所需要的SQLite庫文件，供材料庫項目調(diào)用,完成數(shù)據(jù)庫的基本操作。

表3 SQLite 二次封裝接口

4 材料數(shù)據(jù)庫的可行性驗證

構(gòu)建輕量級工程材料庫的目的是便于為強(qiáng)度結(jié)構(gòu)工程分析和有限元仿真提供幾何模型的物理屬性支持。其中，HAJIF是由中國飛機(jī)強(qiáng)度所自主研發(fā)推出的國內(nèi)航空界功能最為全面的大型CAE分析軟件系統(tǒng)，具有高度可擴(kuò)展性。因此，基于HAJIF基礎(chǔ)平臺和開發(fā)環(huán)境，將材料數(shù)據(jù)庫以組件的形式和HAJIF軟件系統(tǒng)進(jìn)行了無縫結(jié)合。如圖7所示，在HAJIF軟件平臺上，通過材料庫的加載材料數(shù)據(jù)或?qū)懗霾牧峡ㄆ炔僮骺梢苑奖憧焖俚剡M(jìn)行模型材料屬性的構(gòu)建，進(jìn)而輔助完成有限元分析，提高了建模分析的效率。

圖7 材料庫與分析軟件HAJIF無縫結(jié)合

5 結(jié) 語

采用Visual studio 2010和SQLite及Qt開發(fā)出了一套功能完善的可跨平臺的輕量級工程材料數(shù)據(jù)庫軟件，將收集及試驗得到的多種材料數(shù)據(jù)錄入該數(shù)據(jù)庫中。通過程序?qū)崿F(xiàn)了對材料性能參數(shù)的增刪改以及查詢等功能，并且可以作為組件模塊通過定義接口直接與分析軟件無縫結(jié)合，為企業(yè)的選材和仿真分析提供了一定的依據(jù)。

該材料數(shù)據(jù)庫最初主要是針對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析用的材料性能數(shù)據(jù)所開發(fā)，在未來還將收集各類工程需求，更新軟件功能和數(shù)據(jù)內(nèi)容。目前，該數(shù)據(jù)庫除了為濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所定制軟件所應(yīng)用，也在相關(guān)型號研制中發(fā)揮了重要作用，體現(xiàn)了很好的應(yīng)用價值。