厚截面復合材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的構(gòu)建與應用

劉芳寧，王雅娜，王 越，孫瑞俠，費 躍

（中國航發(fā)北京航空材料研究院 北京 100095）

0 引言

厚截面復合材料是指這類層壓板，因受幾何形狀（厚度/跨距比）、材料組分（基體和纖維的剛度/強度性能）、疊層方案、工藝和使用載荷的影響呈現(xiàn)三維應力狀態(tài)。厚截面復合材料作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，在航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。然而，隨著復合材料結(jié)構(gòu)厚度和構(gòu)型復雜程度的增加，內(nèi)部更易出現(xiàn)制備工藝導致的缺陷，這些缺陷可能顯著降低結(jié)構(gòu)的載荷許用值。目前，我國在厚截面復合材料層板材料體系力學性能測試手段和數(shù)據(jù)庫建設(shè)方面尚存在一定的不足，亟待建立和發(fā)展相關(guān)測試和分析手段［1］。

當代科學技術(shù)的發(fā)展明顯呈現(xiàn)出數(shù)字化、定量化和注重過程研究等特點，越來越依賴于系統(tǒng)、高可信度的基本數(shù)據(jù)及其衍生的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。優(yōu)秀的材料數(shù)據(jù)庫能夠完成對材料數(shù)據(jù)的便捷查詢，方便材料數(shù)據(jù)存儲，使材料選型便捷高效。例如：北京航空材料研究院建立的航空材料數(shù)據(jù)管理與應用平臺，主要存儲金屬材料力學性能數(shù)據(jù)［2］；中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司建立的商用航空發(fā)動機材料數(shù)據(jù)庫，通過建立多模塊材料數(shù)據(jù)之間智能鏈接可實現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)可追溯性，集成材料數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理程序以實現(xiàn)材料數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)計算分析與統(tǒng)計數(shù)據(jù)寫入的一體化等［3］。針對厚截面復合材料數(shù)據(jù)，建立厚截面復合材料力學性能及損傷圖像數(shù)據(jù)庫，不僅可以方便厚截面復合材料力學性能及損傷圖像數(shù)據(jù)的查詢和管理，還可對數(shù)據(jù)進行長期、深入的深層加工，使之成為飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要基礎(chǔ)和制造理論的有力支撐。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 整體架構(gòu)

厚截面復合材料數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)復雜，專業(yè)性強，其數(shù)據(jù)有以下特點：

①數(shù)據(jù)關(guān)系復雜，試驗過程和試驗結(jié)果要對應，通過試驗結(jié)果可追溯至原始試驗數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)形式復雜，不僅有普通字符，還包含圖片、曲線、文件等；③數(shù)據(jù)層次多，級聯(lián)深，針對不同課題對存儲的要求，應設(shè)計相應的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)；④與損傷圖像庫的集成，需要開發(fā)不同編程語言的接口。

厚截面復合材料力學性能數(shù)據(jù)多而雜，使得本系統(tǒng)具有較高的復雜度，設(shè)計合理的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)成為本項目的關(guān)鍵和難點。設(shè)計人員需要在充分理解復合材料各數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上，按照關(guān)系數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，分析和設(shè)計相關(guān)各個業(yè)務(wù)內(nèi)容的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和表結(jié)構(gòu)，分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)計合理高效的符合業(yè)務(wù)實際的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，這需要開發(fā)者具備較強的數(shù)據(jù)庫設(shè)計經(jīng)驗。數(shù)據(jù)庫整體建設(shè)框架如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫整體建設(shè)框架

系統(tǒng)采用Granta MI 服務(wù)器－客戶端的架構(gòu)模式進行部署。應用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、文件和數(shù)據(jù)庫均部署在服務(wù)器上，用戶可在與服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)的局域網(wǎng)內(nèi)任意客戶端操作系統(tǒng)。

（1）系統(tǒng)功能模塊主要分為材料數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)、材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和管理員工具。①材料數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)可進行數(shù)據(jù)查詢、曲線對比、CAE 卡片導出等操作；②材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可進行數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)維護等操作；③管理員工具可進行基礎(chǔ)信息維護、用戶信息管理、版本管理等操作。

（2）用戶角色分為查詢用戶、數(shù)據(jù)管理人員和系統(tǒng)管理員。①查詢用戶查詢權(quán)限許可的材料數(shù)據(jù)、材料概述、力學性能，根據(jù)力學性能測試原始數(shù)據(jù)得到的處理數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)管理人員添加新材料、添加和修改材料概述，包括材料種類、材料鋪層方向、試驗項目、干濕態(tài)、溫度等，錄入相關(guān)的力學性能測試原始數(shù)據(jù)，比如載荷、位移、應力、應變等；③系統(tǒng)管理員可進行系統(tǒng)用戶管理和權(quán)限設(shè)置、添加系統(tǒng)用戶、設(shè)置用戶對數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限，數(shù)據(jù)來源的管理與維護、功能拓展等操作。

1.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)主要分為材料力學性能數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和損傷圖像數(shù)據(jù)。圖2 為材料力學性能模塊主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，材料性能數(shù)據(jù)按照牌號進行管理，每種牌號下又包含拉伸、壓縮、彎曲、剪切、疲勞、斷裂等材料基本力學性能數(shù)據(jù)，每種力學性能類別又按照角度、試驗批次等進行細分。系統(tǒng)不僅設(shè)計了能夠存儲厚板的力學性能數(shù)據(jù)，而且還為薄板數(shù)據(jù)預留了接口，具有可擴展性，后續(xù)對薄板數(shù)據(jù)的補充測試數(shù)據(jù)也可錄入到該系統(tǒng)。

圖2 材料力學性能模塊主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中，材料結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)主要分為曲梁彎曲、開孔板和柔性梁數(shù)據(jù)，每種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)又包含了靜力和疲勞兩種性能類別。厚截面復合材料數(shù)據(jù)庫中的材料結(jié)構(gòu)模塊主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 材料結(jié)構(gòu)模塊主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

損傷圖像庫分為缺陷檢測和原位加載兩大部分。缺陷檢測按照材料和結(jié)構(gòu)類別細分，原位加載則主要由拉伸、壓縮和剪切等靜力性能構(gòu)成，圖4 所示為損傷圖像模塊主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖4 損傷圖像模塊主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2 軟硬件選型

2.1 軟件選型

利用標準模塊式的數(shù)據(jù)庫搭建軟件Granta MI，完成數(shù)據(jù)庫和損傷圖像庫的搭建。Granta MI 是一個基于Web的企業(yè)材料數(shù)據(jù)管理平臺，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖5 所示。Granta MI 材料數(shù)據(jù)庫對底層的表結(jié)構(gòu)和代碼進行封裝，數(shù)據(jù)庫開發(fā)人員不需要直接接觸代碼，可以在應用層實現(xiàn)對材料數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系的靈活配置，可提高數(shù)據(jù)庫的建設(shè)效率，確保項目的順利進行。

圖5 GRANTA MI 材料數(shù)據(jù)管理框架

采用Windows Server 2012 服務(wù)器作為后臺支持，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2012。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意電腦的瀏覽器訪問Granta MI，支持的瀏覽器種類見表1。由于目前很多國企局域網(wǎng)仍使用IE 瀏覽器，因此數(shù)據(jù)庫保留兼容IE 最高版本。

表1 Granta MI 支持的客戶端瀏覽器版本

2.2 硬件選型

選擇如下配置的服務(wù)器為復合材料數(shù)據(jù)庫提供服務(wù)器硬件支持：CPU 選擇Intel Xeon 4 核，內(nèi)存16 G，硬盤300 G，Granta MI 對客戶端硬件沒有要求，但是建議電腦至少有4 G 內(nèi)存，因為有可能涉及大數(shù)據(jù)量的操作。

3 系統(tǒng)建設(shè)

對系統(tǒng)的建設(shè)包括數(shù)據(jù)的內(nèi)容建設(shè)和系統(tǒng)各功能模塊的建設(shè)兩個方面。厚截面復合材料數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜，數(shù)據(jù)內(nèi)容多樣，因此應當根據(jù)具體的材料結(jié)構(gòu)、力學性能建立不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便能夠在減少冗余的前提下，便于用戶查詢和管理數(shù)據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)內(nèi)容建設(shè)

3.1.1 材料和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

材料數(shù)據(jù)查詢和管理功能建立拉伸、壓縮、剪切、彎曲、疲勞、斷裂等力學性能基本信息的試驗參數(shù)、試樣信息、試驗數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲和查詢，目前已錄入含褶皺壓縮、單向帶剪切等數(shù)據(jù)。

以單向帶剪切數(shù)據(jù)的新建、編輯和修改為例，圖6 是其基本信息界面，包括試驗參數(shù)、試樣信息、試驗數(shù)據(jù)。其中：①試驗參數(shù)包括試驗方法、試驗設(shè)備、跨距、壓頭半徑、支座半徑等；②試樣信息可存儲每個試樣的變形圖片，并采用記錄鏈接組的形式與試驗信息進行鏈接，一個試驗可對應多個試樣數(shù)據(jù)；③試驗數(shù)據(jù)存儲每個試樣的試樣標識、長度、寬度、厚度、最大載荷、拉伸強度、彈性模量、泊松比、載荷-位移曲線等。

圖6 單向帶剪切數(shù)據(jù)查詢界面

3.1.2 損傷圖像數(shù)據(jù)

損傷圖像數(shù)據(jù)包括缺陷數(shù)據(jù)和原位加載數(shù)據(jù)。①缺陷數(shù)據(jù)可存儲和管理組分錯位、侵蝕、分層、基體開裂、夾雜、樹脂過多、纖維過多、氣孔、纖維斷裂、纖維波紋狀起皺、脫黏、裂紋、鋪層薄厚不均等缺陷數(shù)據(jù)；②原位加載數(shù)據(jù)包括含缺口試樣的原位壓縮數(shù)據(jù)，可存儲和管理試樣點信息、重構(gòu)圖像和切片圖像，圖7 為新建含缺口試樣原位壓縮數(shù)據(jù)界面。

圖7 新建含缺口試樣原位壓縮數(shù)據(jù)界面

3.2 功能模塊建設(shè)

系統(tǒng)主要功能模塊包括：材料檢索、數(shù)據(jù)對比、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)模型配置、用戶權(quán)限管理等功能。

（1）材料檢索功能模塊包括基于關(guān)鍵詞的快速檢索、基于材料屬性和關(guān)鍵詞的高級檢索兩種檢索方式。①基于關(guān)鍵詞的快速檢索可使用戶直接在頁面內(nèi)輸入關(guān)鍵詞進行材料數(shù)據(jù)的檢索；②基于材料屬性和關(guān)鍵詞的高級檢索可實現(xiàn)數(shù)值范圍查詢，即查詢材料屬性值在某個范圍內(nèi)的材料時，檢索條件可設(shè)置為該屬性值大于、等于、小于、介于～與～之間等。另外，系統(tǒng)可對短文本類數(shù)據(jù)進行匹配檢索，如針對某個或多個項目名稱進行檢索，并獲取對應項目中的相關(guān)材料數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)對比功能模塊針對多條材料的不同屬性的對比分析，可直接生成屬性對比表格，導出為Excel 文件。曲線數(shù)據(jù)對比工具支持將不同材料的同類圖表（圖標名稱、X 軸、Y 軸參數(shù)均相同）放在同一張圖表中進行對比分析。系統(tǒng)會自動將不同材料的數(shù)據(jù)通過顏色、形狀等區(qū)分開來。X-Y 圖對比具備X-Y 對比圖生成功能，通過兩步操作即可完成對比圖生成：首先選中需要顯示在圖中的材料，然后設(shè)置X，Y 軸代表的參數(shù)及坐標軸類型（線性、對數(shù)坐標），圖8 為定義X、Y 軸參數(shù)及坐標類型。圖9 為某材料低周疲勞數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)點對比圖，生成的對比圖中可直觀觀察到材料屬性的分布情況。

圖8 定義X、Y 軸參數(shù)及坐標類型

圖9 生成的對比圖功能界面

（3）數(shù)據(jù)的錄入功能模塊分為從界面導入和模版導入兩種方式。①界面導入時用戶通過瀏覽器手動創(chuàng)建新的材料數(shù)據(jù)記錄，并在網(wǎng)頁中手動輸入材料屬性值；②模版導入時用戶先將數(shù)據(jù)錄入至Excel 數(shù)據(jù)模板中，然后借助遠程上傳工具一次性將多條材料數(shù)據(jù)記錄錄入數(shù)據(jù)庫中。本系統(tǒng)針對每種類別的數(shù)據(jù)都建立了數(shù)據(jù)導入導出模版，方便材料錄入人員對數(shù)據(jù)進行快速導入導出，以材料力學性能數(shù)據(jù)為例，設(shè)計的模版如圖10 所示。

圖10 數(shù)據(jù)導入導出模板示例

（4）材料數(shù)據(jù)管理平臺提供可視化工具實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的靈活、快速定制，滿足任意材料種類的、任意數(shù)據(jù)格式存儲需求。用戶利用此工具任意拓展到更多材料數(shù)據(jù)類型的存儲。

材料數(shù)據(jù)管理平臺中的數(shù)據(jù)模型定制分為三個步驟：①創(chuàng)建單位。創(chuàng)建單位是指創(chuàng)建材料的屬性值單位，例如“位移”屬性的單位為mm，則需要在該界面創(chuàng)建單位“mm”，并填寫與同一類度量單位的換算關(guān)系。②創(chuàng)建材料屬性。創(chuàng)建材料屬性指的是定義材料參數(shù)名稱、數(shù)據(jù)類型、單位等信息。材料數(shù)據(jù)管理平臺內(nèi)支持的數(shù)據(jù)類型包含數(shù)值、（長、短）文本、日期、表格、數(shù)字圖表、圖片、超鏈接、文件、多媒體視頻與音頻等，對于數(shù)值型屬性需內(nèi)置單位定義工具。③設(shè)計材料屬性的展示方式。設(shè)計材料屬性展示方式指將創(chuàng)建的材料屬性進行結(jié)構(gòu)化排列，通過可視化工具完成材料屬性的設(shè)計排版后，網(wǎng)頁端即可自動生成材料屬性的標準排版。編輯材料參數(shù)排布結(jié)構(gòu)的功能界面如圖11 所示。

圖11 編輯材料參數(shù)排布結(jié)構(gòu)的功能界面

左側(cè)為用戶創(chuàng)建的屬性列表，右側(cè)為屬性排布結(jié)構(gòu)樹。用戶可在布局中創(chuàng)建不同的屬性分類，如“試樣信息”“試驗結(jié)果”“缺陷參數(shù)”等，然后將不同屬性掛載到不同分類下，點擊“確定”即可完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義。

（5）用戶權(quán)限管理分為數(shù)據(jù)訪問權(quán)限控制、功能權(quán)限訪問控制。①數(shù)據(jù)訪問權(quán)限可控制數(shù)據(jù)對用戶是否開放，提供三個級別的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限控制：系統(tǒng)級、數(shù)據(jù)庫級和數(shù)據(jù)級。②功能權(quán)限分為數(shù)據(jù)查看、編輯、版本創(chuàng)建、數(shù)據(jù)發(fā)布、用戶創(chuàng)建、數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建等。針對不同的用戶可賦予不同的功能操作權(quán)限。數(shù)據(jù)的版本管理功能是為數(shù)據(jù)版本的發(fā)布、修改、刪除操作功能提供權(quán)限管理，存儲在數(shù)據(jù)庫中的一條材料記錄可以存在多個版本，版本類別及說明如表2 所示。

表2 版本類別及說明

4 結(jié)語

本項目建立的厚截面復合材料與結(jié)構(gòu)力學性能及損傷圖像數(shù)據(jù)庫，具有厚截面復合材料與力學性能數(shù)據(jù)的存儲、管理和統(tǒng)計分析功能。建立的厚截面復合材料力學性能庫具有靈活的可擴展性，不僅可以存儲厚截面力學性能數(shù)據(jù)，而且可存儲薄板數(shù)據(jù)；不僅可以存儲已有的高強玻纖材料，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還可推廣到更多牌號和類別的復合材料數(shù)據(jù)管理中，用于輔助指導厚截面復合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計，為材料設(shè)計、制造和應用提供數(shù)據(jù)支撐。