多层级有限元模型数据库综合设计与应用

聂珊珊，聂小华

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

1 引 言

飞机结构设计和发展通常采用“积木式”的试验与分析相结合的过程，通过试验可以验证有限元分析的结果，而用有限元分析来指导物理试验实施，可在一定程度上节约试验成本，同时在辅助试验实施过程中增加了试验的可靠性。工程中,分析/试验互为补充的方法在飞机不同复杂程度的结构分析及相关试验中得到了广泛应用，经过结构元件和细节件、组合件、部件，最后到完整的全尺寸产品，这些试验与分析构成了飞机机体结构完整性认证的基础。

“积木式”试验与分析中的每个层级都建立在多层级模型所积累经验知识的基础之上，随着工程先验数据规模逐年增加及有限元分析技术的进步，针对不同的分析任务要建立多套各级模型，网格尺度、边界模拟、求解形式各有不同。在新型飞机研制过程中，此类历史数据对研制过程可起到至关重要的作用。考虑到对以上数据的高效利用，构建多层级有限元模型数据库的需求尤为迫切，要求数据库涵盖有限元模型的基本信息、模型构建时涉及的建模技术、计算方法和分析软件、结合强度问题的特点及模型校核与验证的思想，以及对分析软件系统中所涉及分析方法的评估等，其是重要的快速建模软件工具，形成模型质量评价标准和交互映射数据接口，数据库的构建和应用能有效提高在研飞机型号研制的综合效率。

根据飞机研制需求和有限元模型数据库模型构建的具体内容，本文提出了多层级有限元模型库的综合设计方案，包括架构设计、数据组织、界面设计等。首先以多层级有限元模型库架构技术研究为出发点，为数据库总体开发规划出架构和范围；然后定义各元素(组件)之间的关系，最终实现数据库的研制。多层级有限元模型库可有效提升数据的利用效率，在工程中具有一定的应用前景[1]。

2 总体设计

2.1 架构设计

多层级有限元模型库的总体框架设计如图1所示，该架构可分为用户层、应用功能层和数据层3个层级。

图1 系统功能示意图

用户层解决登录用户的权限管理。利用多层级有限元模型库基于B/S架构的系统门户，可实现用户不同角色通过Web对多层级有限元模型库数据管理系统的访问。各种不同的角色(如总师、型号总师、专业总师、项目经理、仿真分析工程师、设计工程师等)在系统中被赋予了不同的权限和工作内容，为使用者指定角色后，使用者就可以按照自己角色的权限和工作内容在多层级有限元模型库系统中参与相关的工作[2]。

应用功能层针对多层级有限元模型库的数据管理、任务管理、系统权限管理、知识库管理、数据管理、数据查看器等进行集成与管理[3]。

数据层解决多层级有限元模型库数据、模型、文件等所有相关信息的存储、搜索、访问[4]。

2.2 接口设计

功能模块的逻辑结构是：主程序通过调用各个子程序来实现对整个流程的控制，具体的各个功能分别用子程序来实现，这样的层层调用把每个子程序的功能具体化，各司其职，除了些必要的数据传递，每个功能块之间是相对独立的[5]。

多层级有限元模型库需要用户登录，用户输入用户名和密码，系统对用户权限进行验证后才可以登入。用户有两种：管理员和普通用户。管理员能够新增、修改、删除材料数据和试验数据，普通用户只能查看数据库中的试验与材料。

设计用户权限表，存储用户的相关信息：用户名、密码、权限。用户信息表见表1。

表1 用户信息表

3 数据处理

3.1 数据类型

多层级有限元模型库主要包括该模型的基本信息、基准模型及对分析软件系统中所涉及分析方法的评估等数据。多层级有限元模型库数据架构见图2。

图2 多层级有限元模型库数据架构

3.2 数据表结构

多层级有限元模型库能够对有限元模型的相关数据进行用户化的高效有序管理，根据树级层次结构存储多层级有限元模型[6]。

多层级有限元模型库的数据包括：有限元模型的相关信息、分析方法和相关报告、评估数据，分别包含以下具体数据：

(1)某有限元模型的相关信息：有限元模型名称；模型所属飞机型号；模型描述信息；模型预览图片；建模技术；计算方法；分析软件；分析方法；目录树节点信息表。

(2)分析评估数据：各工况对应的分析数据。

在SQLite数据库中，每个模型具有唯一标示的ID，利用3张数据表完成整个数据库的搭建，如表2-表4所示。

表2 目录树节点信息表

表3 有限元模型信息表

表4 有限元模型文件信息表

4 界面设计

用户在数据库选择窗口选择后即进入初始主窗口，窗口中包含工具栏、菜单栏，提供材料数据的新建、修改、删除以及材料数据的导入、导出。其中，新建、修改、删除功能仅对管理员权限开放。窗口上方是工具栏区域，窗口下方展示的是材料数据存储的层次结构，简称为目录树(如图3所示)。目录树提供了一种对材料数据进行分类的有效方法，即通过树形的层级关系来反映材料数据的分类。目录树上的节点有两类：目录节点和数据节点。目录节点类似于“文件夹”，而数据节点则代表具体的材料数据。用户可通过对目录节点的操作，达到自定义材料存储层次及分类的效果。

图3 数据库窗口

5 结束语

通过研究通用软件体系架构，提出了多层级有限元模型数据库的架构设计。在此基础上，进一步给出了数据库的设计思路，论述了多层级有限元模型数据库设计中层次化的分类结构，对数据库设计过程中数据处理实现流程进行了详细的论述。同时针对工程应用开发了相应的数据库界面，为多层级有限元模型库的开发规划出总的架构和范围，为多层级有限元模型数据库综合设计提供了可靠的支撑。