航空材料性能数据管理系统的设计与实现

刘芳宁 王越 孙瑞侠 费跃

摘要：首先介绍了材料数据管理系统的研究现状，其次，介绍了系统的选型过程和架构设计方法，然后阐述了登录验证、系统管理、属性配置、数据管理、数据统计、数据转换6大模块的构建和开发过程，最后通过对典型航空材料性能曲线的配置和应用，证明该系统能够对材料数据进行科学、有效管理。目前该系统已在航空院所部署并运行良好。

关键词：航空材料 材料数据管理 材料性能数据 数据库

中图分类号：V25

Design and Implementation of the Management System of Aeronautical Material Performance Data

LIU Fangning  WANG Yue  SUN Ruixia  FEI Yue

AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing， 100095 China

Abstract： Firstly， this paper introduces the research status of the management system of material data. Secondly， it introduces the selection process and architecture design methods of the system， and then expounds the construction and development process of six modules： login verification， system management， attribute configuration， data management， data statistics and data conversion. Finally， by configuring and applying typical aeronautical material performance curves， it proves that the system can scientifically and effectively manage material data. At present， the system has been deployed in aviation institutes and is running well.

Key Words： Aeronautical material; Material data management; Material performance data; Database

自20世纪80年代以来，数据库技术在航空材料选材、设计及加工中得到了广泛应用。国内外已相继建立了不同类型的材料数据库，这些数据库主要分为通用的商业材料数据库和针对特定项目建立的专用数据库。其中，典型的商业材料数据库有GRANT MI公司的材料数据库、MaterialCenter数据库等。GRANT MI数据库能实现从材料图谱、测试数据到设计用数据的全流程管理。该数据库以链接的形式对相关数据进行关联，实现对数据全流程的追踪查询。对设计用数据部分，GRANT MI可实现访问的控制和版本的控制。典型的专用数据库有北京航空材料研究院开发的“航空材料性能数据库”[1]、上海大学建立的“材料基因组工程专用数据库”[2]、大连理工大学建立的“复合材料典型构建加工工艺数据库”[3]、西安工业大学建立的机械加工材料数据库[4]、C63200铝青铜合金数据库[5]等。这些数据库大多分布在各高校和研究所，没有统一的存储格式和收集标准，当前尚未形成成熟的数据管理方法与数据管理系统，并且存在数据库标准化与数据分析软件集成等方面的问题[6]。因此，需要对材料数据管理系统进行重新设计和开发，探索建立统一的材料数据存储格式和标准，并实现数据统计和数据转换等功能。

1航空材料性能数据管理系统的设计

1.1 整体设计思路

本文介绍的航空材料性能数据管理系统，综合考虑技术选型、系统架构、功能模块等多个维度，确保系统的高效、稳定和易用。在系统选型上，从底层的数据存储出发，选择高效且能满足复杂查询需求的数据库，后端服务采用稳定成熟、社区活跃的技术栈，前端界面利用现代化前端框架构建，确保用户交互友好、响应迅速；架构设计方面，遵循分层原则，将系统划分为展示层、业务逻辑层和数据访问层。展示层负责用户界面的呈现及交互，业务逻辑层处理核心业务规则与流程，而数据访问层对接数据库进行数据的增删改查操作。功能模块设计方面，材料数据管理系统可管理材料研究过程中的材料测试数据、统计分析数据，以及设计许用数据等数据信息，可对材料基本信息及各类性能进行数据管理。包含但不限于材料种类/牌号、原材料/测试供应商、材料性能、工艺条件、测试条件等材料数据的管理和展示。通过建立统一、规范的材料数据管理体系，建立与收集数据模板适配的数据录入与转换接口，实现收集数据的导入与管理，完成与企业门户网站的集成应用。

1.2系统选型

系统采用SpringMVC架构，其整体技术栈如图1所示。

在应用层设计上，整合运用了layui、EasyUI、HTML5及ECharts等多元化开源技术栈。layui以其简洁优雅的设计风格和出色的用户体验深受开发者喜爱；EasyUI作为一款成熟的jQuery插件库，提供了丰富的网页UI组件，极大简化了界面开发流程；HTML5作为新一代网络标准，它的引入使得系统具备更好的跨平台兼容性与移动友好性，强化了系统的交互体验；ECharts作为国内百度公司开源的数据可视化解决方案，为系统带来了强大且丰富的数据展示功能，通过定制化的图表展现形式，进一步增强了信息传递的有效性和直观性。

在接口层设计上，采用RestAPI为应用层提供服务，并使用Json作为数据交换的格式。RestAPI提供了一种灵活、轻量级的应用程序集成方式，并已成为连接微服务架构中组件的最常用方法。RestAPI通过HTTP请求进行通信，以便执行标准数据库功能，例如在资源中创建、读取、更新和删除记录等操作。Json是类似XML的存储和交换文本信息的语法，比XML更小、更快，更易解析。

在服务层设计上，开发采用了Spring技术栈，该技术栈以其高度模块化、灵活扩展和卓越的事务管理能力而闻名于世，是Java企业级应用的标准之一。采用Spring框架能够实现高效稳定的业务逻辑处理，在构建系统过程中能够充分利用其强大的社区支持与丰富的生态资源，避免了使用闭源软件带来的潜在风险，有效提升了系统的可控性和自主研发能力。其中主要包括：Zuul提供动态路由、监控、弹性和安全等边缘服务的框架；Swagge作为API描述规范；Eureka提供服务注册功能；OpenFeign实现负载均衡和服务调用的组件；SpringSecurity提供身份认证、授权、攻击防护等服务；SpringData可简化数据库访问，使数据库的访问变得方便快捷。

在数据库层设计上，系统选用了达梦数据库[7]和Elasticsearch（ES）。达梦数据库作为国内领先的国产数据库产品，拥有完全自主知识产权，满足了我国信息化建设对数据安全和可控性的严格要求。另一方面，Elasticsearch是一个开源分布式搜索引擎，利用它，系统可实现高性能、高可伸缩性的数据检索与分析能力，极大地提高了业务效率和服务质量。

1.3系统架构设计

系统架构分为资源层、业务构建层、应用层三层，整体架构如图2所示。资源层为支撑系统运行需要的数据资源、软件资源、算法资源、数据转换接口等部分内容；业务构建层为系统主要功能构建层，包含属性配置、数据管理、数据统计、数据转换、数据应用等部分；应用层还开发了与ANSYS、ABAQUS等设计仿真软件的导入导出卡片接口插件，可进行数据的获取和应用。系统提供统一的用户、角色、权限、系统日志、备份与恢复等统一的系统安全配置，保障系统的正常运行。

2 航空材料性能数据管理系统的开发

系统整体由登录验证、系统管理、属性配置、数据管理、数据统计、数据转换六大功能模块构成。

2.1 登录验证

登录验证用于在用户登录系统时，对用户的合法性进行验证，并且能够获取用户的操作权限（角色信息）。通过赋予用户不同的操作权限，支持对不同部门、级别的角色进行相应的访问权限配置。

2.2 系统管理

系统管理功能包含角色权限管理、用户部门管理、账号管理和操作日志管理。在管理员完成角色和部门创建以后，可通过创建用户账号并根据用户部门和职能设置用户账号部门、赋予包含特定功能权限的角色，完成用户账号的创建；管理员还可以根据需要启用、禁用账号，以限制账号使用；日志可存储账户的登录和操作、账号的启用与禁用记录，并支持查询、导出、备份和统计分析。系统管理模块主要功能如图4所示。

2.3属性配置

材料性能数据千差万别，其数据类型也具有多样性：例如高温合金的光滑拉伸实验包含实验条件、材料基本信息、试验信息、曲线信息等，这其中的数据类型有文本、数值、点函数、方程和表达式等。然而虽然材料的性能各异，但不同的材料之间又有许多共性，例如：金属材料的力学性能基本都包含静力和疲劳等，这也带来了数据存储的复杂性，提高了设计的难度。为解决上述问题，本系统设计了单位管理、常量管理、离散类型管理、参数管理、表达式管理、属性管理、材料模板管理、分类管理等功能。单位管理、常量管理、参数管理用于管理和协调材料之间的共性，表达式管理和属性配置可定义材料特性，材料模板配置用于支持材料数据模板的定制化，并用分类管理来集中管理相关材料模板。通过上述一系列的属性配置，可实现材料属性的定制化管理，从而与不同的性能类别数据进行精确的匹配。图5为属性配置界面。

2.4 材料数据管理

材料数据管理用于数据存储、查看、分析，并通过数据授权将材料分类下的数据或者某一具体的数据的查看权限赋予某一用户，其界面如图6所示。

材料数据管理模块可进行数据检索、数据模板配置、文件夹配置、数据记录配置、模板导入导出、曲线绘制等。数据检索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。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，基于材料属性和关键词的高级检索可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。基于材料属性和关键词的高级检索还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XX与XX之间等。

数据模板配置和文件夹配置可用来对材料进行分类，该功能能够按照材料的类别、牌号进行分类，也可按照材料性能进行分类。数据记录配置可对数据记录进行编辑、查询、删除、导入导出等操作，通常一组实验作为一条数据记录进行存储和管理。

通过对数据记录的配置，可设置数据库的导航树。可管理的航空材料性能数据包括材料基本信息、理化性能、静力性能、疲劳性能等，以某高温合金的试验数据为例，其导航树界面如图7所示。

模板导入导出功能可将配置好的数据记录EXCEL模板导出到客户端本地，填写后回传到页面，该功能可单独对一组记录进行导入导出操作，也可对多组数据进行批导入。其数据导入界面如图8所示。

曲线图中的用户偏好设置可对录入的曲线显示为点、线、点线全部显示，可对曲线进行转置操作，还实现了对录入的曲线设置为X、Y轴对数坐标显示。其界面如图9所示。

2.5 数据统计

为实现材料数据的高效应用，充分挖掘材料数据的价值，数据统计功能可通过对实验数据的统计分析，逐个获取材料各项性能的实验数据的统计信息。包括但不限于对平均值、最大值、最小值、A基准值、B基准值、试样数量以及材料批数的统计。数据统计功能还能够将材料的多项性能数据汇总，形成材料的性能统计数据，供设计人员使用。

2.6 数据转换

通过数据转换模板可解决系统数据文件与其他设计分析软件数据文件格式有所差异的问题。该模块提供面向设计分析软件的数据转换功能，可通过灵活配置的方式设置不同的数据转换模板格式，方便用户导出如ANSYS、ABAQUS等计算分析软件所需的数据文件。

3 典型曲线录入功能配置方法

• 以某合金光滑拉伸应力应变性能曲线数据为例，属性配置过程如下：首先进行单位配置，对于应力应变曲线其应力单位为MPa，应变曲线为mm/mm；其次进行参数配置，在参数配置中设置“应力”为曲线参数；再次在属性管理中进行点函数配置，新建属性分类，并选择“点函数”作为光滑拉伸性能的属性，在弹出界面中输入函数名称、选择单位分类，选择已经配置好的应力参数；然后进行模板配置，设置数据记录的显示布局；最后进行新建数据库，选择已经配置好的模板，并进行数据授权。

属性配置完成后，在“材料管理界面”可通过文件夹设置材料类别、牌号、试验编号等信息，并下载模板进行曲线录入，录入后的曲线界面如图10所示。用户可根据角色权限对其进行查询或编辑操作。

4 结论

本文介绍了航空材料性能数据管理系统的设计与实现过程，采用面向对象的设计方法开发了一套配置灵活、界面友好的材料性能数据管理系统。在系统设计方面，本系统全技术栈层次清晰，并对核心技术自主创新能力高度重视，既确保了系统的先进性、稳定性和安全性，又展现了在技术研发上的独立创新能力和对关键技术的掌握；在功能设计方面，六大功能模块能够满足航空材料研究和设计人员对数据的查询、分析和统计需求。系统管理模块可实现对航空材料的基本信息、理化性能、静力性能等基本性能的原始数据、统计数据进行查询、统计和分析，数据导入导出模板可在各独立的数据库之间传递数据，数据转换功能能够与计算分析软件进行数据传输，加快材料设计分析效率。该系统已在行业内单位投入使用，目前运行良好，后续可不断补充数据并完善功能，除航空院所外，也可推广到其他各材料设计、制造和研究单位，为辅助材料设计、研发提供软件支撑。

参考文献

• [1] 王越，孙瑞侠，刘芳宁.航空发动机材料数据库的构建与应用[J].航空动力，2022（6）：52-55.
• [2] 岳溪朝，冯燕，刘健，等.材料基因组工程专用数据库[J].上海大学学报（自然科学版），2022，28（3）：399-412.
• [3] 明慧.复合材料加工工艺数据库构建及数据集成[D].大连：大连理工大学，2014.
• [4] 周爱玲.机械加工材料数据库系统开发[D].西安：西安工业大学，2013.
• [5]  ORZOLEK  S M， NORKETT  J E， FISHER  C R .Temperature-Dependent Material Property Database for C63200 Nickel-Aluminum Bronze （NAB） Plate[J].Integrating Materials and Manufacturing Innovation，2023，12（4）：481-492.
• [6] 张燕，徐芳，张剑锋，等.商用航空发动机材料数据管理要求及数据库系统建设方案[J].中国材料进展，2023，42（6）：492-498.
• [7] 金岩磊，郗发刚，高少华，等.基于达梦数据库的水电厂智能数据存储策略[J].中国农村水利水电，2023（1）：181-184.