厚截面复合材料数据管理系统的构建与应用

刘芳宁，王雅娜，王 越，孙瑞侠，费 跃

（中国航发北京航空材料研究院 北京 100095）

0 引言

厚截面复合材料是指这类层压板，因受几何形状（厚度/跨距比）、材料组分（基体和纤维的刚度/强度性能）、叠层方案、工艺和使用载荷的影响呈现三维应力状态。厚截面复合材料作为一种重要的结构材料，在航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而，随着复合材料结构厚度和构型复杂程度的增加，内部更易出现制备工艺导致的缺陷，这些缺陷可能显著降低结构的载荷许用值。目前，我国在厚截面复合材料层板材料体系力学性能测试手段和数据库建设方面尚存在一定的不足，亟待建立和发展相关测试和分析手段［1］。

当代科学技术的发展明显呈现出数字化、定量化和注重过程研究等特点，越来越依赖于系统、高可信度的基本数据及其衍生的数据产品。优秀的材料数据库能够完成对材料数据的便捷查询，方便材料数据存储，使材料选型便捷高效。例如：北京航空材料研究院建立的航空材料数据管理与应用平台，主要存储金属材料力学性能数据［2］；中国航发商用航空发动机有限责任公司建立的商用航空发动机材料数据库，通过建立多模块材料数据之间智能链接可实现全流程数据可追溯性，集成材料数据统计处理程序以实现材料数据库数据读取、数据计算分析与统计数据写入的一体化等［3］。针对厚截面复合材料数据，建立厚截面复合材料力学性能及损伤图像数据库，不仅可以方便厚截面复合材料力学性能及损伤图像数据的查询和管理，还可对数据进行长期、深入的深层加工，使之成为飞行器结构优化设计的重要基础和制造理论的有力支撑。

1 系统方案设计

1.1 整体架构

厚截面复合材料数据业务复杂，专业性强，其数据有以下特点：

①数据关系复杂，试验过程和试验结果要对应，通过试验结果可追溯至原始试验数据；②数据形式复杂，不仅有普通字符，还包含图片、曲线、文件等；③数据层次多，级联深，针对不同课题对存储的要求，应设计相应的数据库结构；④与损伤图像库的集成，需要开发不同编程语言的接口。

厚截面复合材料力学性能数据多而杂，使得本系统具有较高的复杂度，设计合理的数据库结构成为本项目的关键和难点。设计人员需要在充分理解复合材料各数据之间的关联关系的基础上，按照关系数据库的结构设计原则，分析和设计相关各个业务内容的数据结构和表结构，分析数据之间的关联关系，设计合理高效的符合业务实际的数据库结构，这需要开发者具备较强的数据库设计经验。数据库整体建设框架如图1 所示。

图1 数据库整体建设框架

系统采用Granta MI 服务器－客户端的架构模式进行部署。应用系统、数据管理系统、文件和数据库均部署在服务器上，用户可在与服务器联网的局域网内任意客户端操作系统。

（1）系统功能模块主要分为材料数据应用系统、材料数据管理系统和管理员工具。①材料数据应用系统可进行数据查询、曲线对比、CAE 卡片导出等操作；②材料数据管理系统可进行数据录入、数据删除、数据维护等操作；③管理员工具可进行基础信息维护、用户信息管理、版本管理等操作。

（2）用户角色分为查询用户、数据管理人员和系统管理员。①查询用户查询权限许可的材料数据、材料概述、力学性能，根据力学性能测试原始数据得到的处理数据；②数据管理人员添加新材料、添加和修改材料概述，包括材料种类、材料铺层方向、试验项目、干湿态、温度等，录入相关的力学性能测试原始数据，比如载荷、位移、应力、应变等；③系统管理员可进行系统用户管理和权限设置、添加系统用户、设置用户对数据的访问权限，数据来源的管理与维护、功能拓展等操作。

1.2 数据结构设计

系统管理的数据主要分为材料力学性能数据、结构数据和损伤图像数据。图2 为材料力学性能模块主要数据结构，材料性能数据按照牌号进行管理，每种牌号下又包含拉伸、压缩、弯曲、剪切、疲劳、断裂等材料基本力学性能数据，每种力学性能类别又按照角度、试验批次等进行细分。系统不仅设计了能够存储厚板的力学性能数据，而且还为薄板数据预留了接口，具有可扩展性，后续对薄板数据的补充测试数据也可录入到该系统。

图2 材料力学性能模块主要数据结构

系统中，材料结构数据主要分为曲梁弯曲、开孔板和柔性梁数据，每种结构数据又包含了静力和疲劳两种性能类别。厚截面复合材料数据库中的材料结构模块主要数据结构如图3 所示。

图3 材料结构模块主要数据结构

损伤图像库分为缺陷检测和原位加载两大部分。缺陷检测按照材料和结构类别细分，原位加载则主要由拉伸、压缩和剪切等静力性能构成，图4 所示为损伤图像模块主要数据结构。

图4 损伤图像模块主要数据结构

2 软硬件选型

2.1 软件选型

利用标准模块式的数据库搭建软件Granta MI，完成数据库和损伤图像库的搭建。Granta MI 是一个基于Web的企业材料数据管理平台，其系统架构如图5 所示。Granta MI 材料数据库对底层的表结构和代码进行封装，数据库开发人员不需要直接接触代码，可以在应用层实现对材料数据结构关系的灵活配置，可提高数据库的建设效率，确保项目的顺利进行。

图5 GRANTA MI 材料数据管理框架

采用Windows Server 2012 服务器作为后台支持，数据库采用SQL Server 2012。用户可以通过网络内任意电脑的浏览器访问Granta MI，支持的浏览器种类见表1。由于目前很多国企局域网仍使用IE 浏览器，因此数据库保留兼容IE 最高版本。

表1 Granta MI 支持的客户端浏览器版本

2.2 硬件选型

选择如下配置的服务器为复合材料数据库提供服务器硬件支持：CPU 选择Intel Xeon 4 核，内存16 G，硬盘300 G，Granta MI 对客户端硬件没有要求，但是建议电脑至少有4 G 内存，因为有可能涉及大数据量的操作。

3 系统建设

对系统的建设包括数据的内容建设和系统各功能模块的建设两个方面。厚截面复合材料数据结构复杂，数据内容多样，因此应当根据具体的材料结构、力学性能建立不同的数据结构，以便能够在减少冗余的前提下，便于用户查询和管理数据。

3.1 数据内容建设

3.1.1 材料和结构数据

材料数据查询和管理功能建立拉伸、压缩、剪切、弯曲、疲劳、断裂等力学性能基本信息的试验参数、试样信息、试验数据、统计数据等数据结构的存储和查询，目前已录入含褶皱压缩、单向带剪切等数据。

以单向带剪切数据的新建、编辑和修改为例，图6 是其基本信息界面，包括试验参数、试样信息、试验数据。其中：①试验参数包括试验方法、试验设备、跨距、压头半径、支座半径等；②试样信息可存储每个试样的变形图片，并采用记录链接组的形式与试验信息进行链接，一个试验可对应多个试样数据；③试验数据存储每个试样的试样标识、长度、宽度、厚度、最大载荷、拉伸强度、弹性模量、泊松比、载荷-位移曲线等。

图6 单向带剪切数据查询界面

3.1.2 损伤图像数据

损伤图像数据包括缺陷数据和原位加载数据。①缺陷数据可存储和管理组分错位、侵蚀、分层、基体开裂、夹杂、树脂过多、纤维过多、气孔、纤维断裂、纤维波纹状起皱、脱黏、裂纹、铺层薄厚不均等缺陷数据；②原位加载数据包括含缺口试样的原位压缩数据，可存储和管理试样点信息、重构图像和切片图像，图7 为新建含缺口试样原位压缩数据界面。

图7 新建含缺口试样原位压缩数据界面

3.2 功能模块建设

系统主要功能模块包括：材料检索、数据对比、数据录入、数据模型配置、用户权限管理等功能。

（1）材料检索功能模块包括基于关键词的快速检索、基于材料属性和关键词的高级检索两种检索方式。①基于关键词的快速检索可使用户直接在页面内输入关键词进行材料数据的检索；②基于材料属性和关键词的高级检索可实现数值范围查询，即查询材料属性值在某个范围内的材料时，检索条件可设置为该属性值大于、等于、小于、介于～与～之间等。另外，系统可对短文本类数据进行匹配检索，如针对某个或多个项目名称进行检索，并获取对应项目中的相关材料数据。

（2）数据对比功能模块针对多条材料的不同属性的对比分析，可直接生成属性对比表格，导出为Excel 文件。曲线数据对比工具支持将不同材料的同类图表（图标名称、X 轴、Y 轴参数均相同）放在同一张图表中进行对比分析。系统会自动将不同材料的数据通过颜色、形状等区分开来。X-Y 图对比具备X-Y 对比图生成功能，通过两步操作即可完成对比图生成：首先选中需要显示在图中的材料，然后设置X，Y 轴代表的参数及坐标轴类型（线性、对数坐标），图8 为定义X、Y 轴参数及坐标类型。图9 为某材料低周疲劳数据生成的数据点对比图，生成的对比图中可直观观察到材料属性的分布情况。

图8 定义X、Y 轴参数及坐标类型

图9 生成的对比图功能界面

（3）数据的录入功能模块分为从界面导入和模版导入两种方式。①界面导入时用户通过浏览器手动创建新的材料数据记录，并在网页中手动输入材料属性值；②模版导入时用户先将数据录入至Excel 数据模板中，然后借助远程上传工具一次性将多条材料数据记录录入数据库中。本系统针对每种类别的数据都建立了数据导入导出模版，方便材料录入人员对数据进行快速导入导出，以材料力学性能数据为例，设计的模版如图10 所示。

图10 数据导入导出模板示例

（4）材料数据管理平台提供可视化工具实现数据模型的灵活、快速定制，满足任意材料种类的、任意数据格式存储需求。用户利用此工具任意拓展到更多材料数据类型的存储。

材料数据管理平台中的数据模型定制分为三个步骤：①创建单位。创建单位是指创建材料的属性值单位，例如“位移”属性的单位为mm，则需要在该界面创建单位“mm”，并填写与同一类度量单位的换算关系。②创建材料属性。创建材料属性指的是定义材料参数名称、数据类型、单位等信息。材料数据管理平台内支持的数据类型包含数值、（长、短）文本、日期、表格、数字图表、图片、超链接、文件、多媒体视频与音频等，对于数值型属性需内置单位定义工具。③设计材料属性的展示方式。设计材料属性展示方式指将创建的材料属性进行结构化排列，通过可视化工具完成材料属性的设计排版后，网页端即可自动生成材料属性的标准排版。编辑材料参数排布结构的功能界面如图11 所示。

图11 编辑材料参数排布结构的功能界面

左侧为用户创建的属性列表，右侧为属性排布结构树。用户可在布局中创建不同的属性分类，如“试样信息”“试验结果”“缺陷参数”等，然后将不同属性挂载到不同分类下，点击“确定”即可完成数据结构定义。

（5）用户权限管理分为数据访问权限控制、功能权限访问控制。①数据访问权限可控制数据对用户是否开放，提供三个级别的数据访问权限控制：系统级、数据库级和数据级。②功能权限分为数据查看、编辑、版本创建、数据发布、用户创建、数据库创建等。针对不同的用户可赋予不同的功能操作权限。数据的版本管理功能是为数据版本的发布、修改、删除操作功能提供权限管理，存储在数据库中的一条材料记录可以存在多个版本，版本类别及说明如表2 所示。

表2 版本类别及说明

4 结语

本项目建立的厚截面复合材料与结构力学性能及损伤图像数据库，具有厚截面复合材料与力学性能数据的存储、管理和统计分析功能。建立的厚截面复合材料力学性能库具有灵活的可扩展性，不仅可以存储厚截面力学性能数据，而且可存储薄板数据；不仅可以存储已有的高强玻纤材料，其数据结构还可推广到更多牌号和类别的复合材料数据管理中，用于辅助指导厚截面复合材料结构的设计，为材料设计、制造和应用提供数据支撑。