航空材料性能數據管理系統的設計與實現

摘要：首先介紹了材料數據管理系統的研究現狀，其次，介紹了系統的選型過程和架構設計方法，然后闡述了登錄驗證、系統管理、屬性配置、數據管理、數據統計、數據轉換6大模塊的構建和開發過程，最后通過對典型航空材料性能曲線的配置和應用，證明該系統能夠對材料數據進行科學、有效管理。目前該系統已在航空院所部署并運行良好。

關鍵詞：航空材料"材料數據管理"材料性能數據"數據庫

中圖分類號：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"introducesnbsp;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世紀80年代以來，數據庫技術在航空材料選材、設計及加工中得到了廣泛應用。國內外已相繼建立了不同類型的材料數據庫，這些數據庫主要分為通用的商業材料數據庫和針對特定項目建立的專用數據庫。其中，典型的商業材料數據庫有GRANT"MI公司的材料數據庫、MaterialCenter數據庫等。GRANT"MI數據庫能實現從材料圖譜、測試數據到設計用數據的全流程管理。該數據庫以鏈接的形式對相關數據進行關聯，實現對數據全流程的追蹤查詢。對設計用數據部分，GRANT"MI可實現訪問的控制和版本的控制。典型的專用數據庫有北京航空材料研究院開發的“航空材料性能數據庫”[1]、上海大學建立的“材料基因組工程專用數據庫”[2]、大連理工大學建立的“復合材料典型構建加工工藝數據庫”[3]、西安工業大學建立的機械加工材料數據庫[4]、C63200鋁青銅合金數據庫[5]等。這些數據庫大多分布在各高校和研究所，沒有統一的存儲格式和收集標準，當前尚未形成成熟的數據管理方法與數據管理系統，并且存在數據庫標準化與數據分析軟件集成等方面的問題[6]。因此，需要對材料數據管理系統進行重新設計和開發，探索建立統一的材料數據存儲格式和標準，并實現數據統計和數據轉換等功能。

1航空材料性能數據管理系統的設計

1.1"整體設計思路

本文介紹的航空材料性能數據管理系統，綜合考慮技術選型、系統架構、功能模塊等多個維度，確保系統的高效、穩定和易用。在系統選型上，從底層的數據存儲出發，選擇高效且能滿足復雜查詢需求的數據庫，后端服務采用穩定成熟、社區活躍的技術棧，前端界面利用現代化前端框架構建，確保用戶交互友好、響應迅速；架構設計方面，遵循分層原則，將系統劃分為展示層、業務邏輯層和數據訪問層。展示層負責用戶界面的呈現及交互，業務邏輯層處理核心業務規則與流程，而數據訪問層對接數據庫進行數據的增刪改查操作。功能模塊設計方面，材料數據管理系統可管理材料研究過程中的材料測試數據、統計分析數據，以及設計許用數據等數據信息，可對材料基本信息及各類性能進行數據管理。包含但不限于材料種類/牌號、原材料/測試供應商、材料性能、工藝條件、測試條件等材料數據的管理和展示。通過建立統一、規范的材料數據管理體系，建立與收集數據模板適配的數據錄入與轉換接口，實現收集數據的導入與管理，完成與企業門戶網站的集成應用。

1.2系統選型

系統采用SpringMVC架構，其整體技術棧如圖1所示。

在應用層設計上，整合運用了layui、EasyUI、HTML5及ECharts等多元化開源技術棧。layui以其簡潔優雅的設計風格和出色的用戶體驗深受開發者喜愛；EasyUI作為一款成熟的jQuery插件庫，提供了豐富的網頁UI組件，極大簡化了界面開發流程；HTML5作為新一代網絡標準，它的引入使得系統具備更好的跨平臺兼容性與移動友好性，強化了系統的交互體驗；ECharts作為國內百度公司開源的數據可視化解決方案，為系統帶來了強大且豐富的數據展示功能，通過定制化的圖表展現形式，進一步增強了信息傳遞的有效性和直觀性。

在接口層設計上，采用RestAPI為應用層提供服務，并使用Json作為數據交換的格式。RestAPI提供了一種靈活、輕量級的應用程序集成方式，并已成為連接微服務架構中組件的最常用方法。RestAPI通過HTTP請求進行通信，以便執行標準數據庫功能，例如在資源中創建、讀取、更新和刪除記錄等操作。Json是類似XML的存儲和交換文本信息的語法，比XML更小、更快，更易解析。

在服務層設計上，開發采用了Spring技術棧，該技術棧以其高度模塊化、靈活擴展和卓越的事務管理能力而聞名于世，是Java企業級應用的標準之一。采用Spring框架能夠實現高效穩定的業務邏輯處理，在構建系統過程中能夠充分利用其強大的社區支持與豐富的生態資源，避免了使用閉源軟件帶來的潛在風險，有效提升了系統的可控性和自主研發能力。其中主要包括：Zuul提供動態路由、監控、彈性和安全等邊緣服務的框架；Swagge作為API描述規范；Eureka提供服務注冊功能；OpenFeign實現負載均衡和服務調用的組件；SpringSecurity提供身份認證、授權、攻擊防護等服務；SpringData可簡化數據庫訪問，使數據庫的訪問變得方便快捷。

在數據庫層設計上，系統選用了達夢數據庫[7]和Elasticsearch（ES）。達夢數據庫作為國內領先的國產數據庫產品，擁有完全自主知識產權，滿足了我國信息化建設對數據安全和可控性的嚴格要求。另一方面，Elasticsearch是一個開源分布式搜索引擎，利用它，系統可實現高性能、高可伸縮性的數據檢索與分析能力，極大地提高了業務效率和服務質量。

1.3系統架構設計

系統架構分為資源層、業務構建層、應用層三層，整體架構如圖2所示。資源層為支撐系統運行需要的數據資源、軟件資源、算法資源、數據轉換接口等部分內容；業務構建層為系統主要功能構建層，包含屬性配置、數據管理、數據統計、數據轉換、數據應用等部分；應用層還開發了與ANSYS、ABAQUS等設計仿真軟件的導入導出卡片接口插件，可進行數據的獲取和應用。系統提供統一的用戶、角色、權限、系統日志、備份與恢復等統一的系統安全配置，保障系統的正常運行。

2"航空材料性能數據管理系統的開發

系統整體由登錄驗證、系統管理、屬性配置、數據管理、數據統計、數據轉換六大功能模塊構成。

2.1"登錄驗證

登錄驗證用于在用戶登錄系統時，對用戶的合法性進行驗證，并且能夠獲取用戶的操作權限（角色信息）。通過賦予用戶不同的操作權限，支持對不同部門、級別的角色進行相應的訪問權限配置。

2.2"系統管理

系統管理功能包含角色權限管理、用戶部門管理、賬號管理和操作日志管理。在管理員完成角色和部門創建以后，可通過創建用戶賬號并根據用戶部門和職能設置用戶賬號部門、賦予包含特定功能權限的角色，完成用戶賬號的創建；管理員還可以根據需要啟用、禁用賬號，以限制賬號使用；日志可存儲賬戶的登錄和操作、賬號的啟用與禁用記錄，并支持查詢、導出、備份和統計分析。系統管理模塊主要功能如圖4所示。

2.3屬性配置

材料性能數據千差萬別，其數據類型也具有多樣性：例如高溫合金的光滑拉伸實驗包含實驗條件、材料基本信息、試驗信息、曲線信息等，這其中的數據類型有文本、數值、點函數、方程和表達式等。然而雖然材料的性能各異，但不同的材料之間又有許多共性，例如：金屬材料的力學性能基本都包含靜力和疲勞等，這也帶來了數據存儲的復雜性，提高了設計的難度。為解決上述問題，本系統設計了單位管理、常量管理、離散類型管理、參數管理、表達式管理、屬性管理、材料模板管理、分類管理等功能。單位管理、常量管理、參數管理用于管理和協調材料之間的共性，表達式管理和屬性配置可定義材料特性，材料模板配置用于支持材料數據模板的定制化，并用分類管理來集中管理相關材料模板。通過上述一系列的屬性配置，可實現材料屬性的定制化管理，從而與不同的性能類別數據進行精確的匹配。圖5為屬性配置界面。

2.4"材料數據管理

材料數據管理用于數據存儲、查看、分析，并通過數據授權將材料分類下的數據或者某一具體的數據的查看權限賦予某一用戶，其界面如圖6所示。

材料數據管理模塊可進行數據檢索、數據模板配置、文件夾配置、數據記錄配置、模板導入導出、曲線繪制等。數據檢索包括基于關鍵詞的快速檢索、基于材料屬性和關鍵詞的高級檢索兩種檢索方式。基于關鍵詞的快速檢索可使用戶直接在頁面內輸入關鍵詞進行材料數據的檢索，基于材料屬性和關鍵詞的高級檢索可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材料數據。基于材料屬性和關鍵詞的高級檢索還可實現數值范圍查詢，即查詢材料屬性值在某個范圍內的材料時，檢索條件可設置為該屬性值大于、等于、小于、介于XX與XX之間等。

數據模板配置和文件夾配置可用來對材料進行分類，該功能能夠按照材料的類別、牌號進行分類，也可按照材料性能進行分類。數據記錄配置可對數據記錄進行編輯、查詢、刪除、導入導出等操作，通常一組實驗作為一條數據記錄進行存儲和管理。

通過對數據記錄的配置，可設置數據庫的導航樹。可管理的航空材料性能數據包括材料基本信息、理化性能、靜力性能、疲勞性能等，以某高溫合金的試驗數據為例，其導航樹界面如圖7所示。

模板導入導出功能可將配置好的數據記錄EXCEL模板導出到客戶端本地，填寫后回傳到頁面，該功能可單獨對一組記錄進行導入導出操作，也可對多組數據進行批導入。其數據導入界面如圖8所示。

曲線圖中的用戶偏好設置可對錄入的曲線顯示為點、線、點線全部顯示，可對曲線進行轉置操作，還實現了對錄入的曲線設置為X、Y軸對數坐標顯示。其界面如圖9所示。

2.5"數據統計

為實現材料數據的高效應用，充分挖掘材料數據的價值，數據統計功能可通過對實驗數據的統計分析，逐個獲取材料各項性能的實驗數據的統計信息。包括但不限于對平均值、最大值、最小值、A基準值、B基準值、試樣數量以及材料批數的統計。數據統計功能還能夠將材料的多項性能數據匯總，形成材料的性能統計數據，供設計人員使用。

2.6"數據轉換

通過數據轉換模板可解決系統數據文件與其他設計分析軟件數據文件格式有所差異的問題。該模塊提供面向設計分析軟件的數據轉換功能，可通過靈活配置的方式設置不同的數據轉換模板格式，方便用戶導出如ANSYS、ABAQUS等計算分析軟件所需的數據文件。

3"典型曲線錄入功能配置方法

• 以某合金光滑拉伸應力應變性能曲線數據為例，屬性配置過程如下：首先進行單位配置，對于應力應變曲線其應力單位為MPa，應變曲線為mm/mm；其次進行參數配置，在參數配置中設置“應力”為曲線參數；再次在屬性管理中進行點函數配置，新建屬性分類，并選擇“點函數”作為光滑拉伸性能的屬性，在彈出界面中輸入函數名稱、選擇單位分類，選擇已經配置好的應力參數；然后進行模板配置，設置數據記錄的顯示布局；最后進行新建數據庫，選擇已經配置好的模板，并進行數據授權。

屬性配置完成后，在“材料管理界面”可通過文件夾設置材料類別、牌號、試驗編號等信息，并下載模板進行曲線錄入，錄入后的曲線界面如圖10所示。用戶可根據角色權限對其進行查詢或編輯操作。

4"結論

本文介紹了航空材料性能數據管理系統的設計與實現過程，采用面向對象的設計方法開發了一套配置靈活、界面友好的材料性能數據管理系統。在系統設計方面，本系統全技術棧層次清晰，并對核心技術自主創新能力高度重視，既確保了系統的先進性、穩定性和安全性，又展現了在技術研發上的獨立創新能力和對關鍵技術的掌握；在功能設計方面，六大功能模塊能夠滿足航空材料研究和設計人員對數據的查詢、分析和統計需求。系統管理模塊可實現對航空材料的基本信息、理化性能、靜力性能等基本性能的原始數據、統計數據進行查詢、統計和分析，數據導入導出模板可在各獨立的數據庫之間傳遞數據，數據轉換功能能夠與計算分析軟件進行數據傳輸，加快材料設計分析效率。該系統已在行業內單位投入使用，目前運行良好，后續可不斷補充數據并完善功能，除航空院所外，也可推廣到其他各材料設計、制造和研究單位，為輔助材料設計、研發提供軟件支撐。

參考文獻

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