聶珊珊，聶小華

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和發(fā)展通常采用“積木式”的試驗與分析相結(jié)合的過程，通過試驗可以驗證有限元分析的結(jié)果，而用有限元分析來指導(dǎo)物理試驗實施，可在一定程度上節(jié)約試驗成本，同時在輔助試驗實施過程中增加了試驗的可靠性。工程中,分析/試驗互為補(bǔ)充的方法在飛機(jī)不同復(fù)雜程度的結(jié)構(gòu)分析及相關(guān)試驗中得到了廣泛應(yīng)用，經(jīng)過結(jié)構(gòu)元件和細(xì)節(jié)件、組合件、部件，最后到完整的全尺寸產(chǎn)品，這些試驗與分析構(gòu)成了飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)完整性認(rèn)證的基礎(chǔ)。

“積木式”試驗與分析中的每個層級都建立在多層級模型所積累經(jīng)驗知識的基礎(chǔ)之上，隨著工程先驗數(shù)據(jù)規(guī)模逐年增加及有限元分析技術(shù)的進(jìn)步，針對不同的分析任務(wù)要建立多套各級模型，網(wǎng)格尺度、邊界模擬、求解形式各有不同。在新型飛機(jī)研制過程中，此類歷史數(shù)據(jù)對研制過程可起到至關(guān)重要的作用。考慮到對以上數(shù)據(jù)的高效利用，構(gòu)建多層級有限元模型數(shù)據(jù)庫的需求尤為迫切，要求數(shù)據(jù)庫涵蓋有限元模型的基本信息、模型構(gòu)建時涉及的建模技術(shù)、計算方法和分析軟件、結(jié)合強(qiáng)度問題的特點及模型校核與驗證的思想，以及對分析軟件系統(tǒng)中所涉及分析方法的評估等，其是重要的快速建模軟件工具，形成模型質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)和交互映射數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和應(yīng)用能有效提高在研飛機(jī)型號研制的綜合效率。

根據(jù)飛機(jī)研制需求和有限元模型數(shù)據(jù)庫模型構(gòu)建的具體內(nèi)容，本文提出了多層級有限元模型庫的綜合設(shè)計方案，包括架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)組織、界面設(shè)計等。首先以多層級有限元模型庫架構(gòu)技術(shù)研究為出發(fā)點，為數(shù)據(jù)庫總體開發(fā)規(guī)劃出架構(gòu)和范圍；然后定義各元素(組件)之間的關(guān)系，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的研制。多層級有限元模型庫可有效提升數(shù)據(jù)的利用效率，在工程中具有一定的應(yīng)用前景[1]。

2 總體設(shè)計

2.1 架構(gòu)設(shè)計

多層級有限元模型庫的總體框架設(shè)計如圖1所示，該架構(gòu)可分為用戶層、應(yīng)用功能層和數(shù)據(jù)層3個層級。

圖1 系統(tǒng)功能示意圖

用戶層解決登錄用戶的權(quán)限管理。利用多層級有限元模型庫基于B/S架構(gòu)的系統(tǒng)門戶，可實現(xiàn)用戶不同角色通過Web對多層級有限元模型庫數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的訪問。各種不同的角色(如總師、型號總師、專業(yè)總師、項目經(jīng)理、仿真分析工程師、設(shè)計工程師等)在系統(tǒng)中被賦予了不同的權(quán)限和工作內(nèi)容，為使用者指定角色后，使用者就可以按照自己角色的權(quán)限和工作內(nèi)容在多層級有限元模型庫系統(tǒng)中參與相關(guān)的工作[2]。

應(yīng)用功能層針對多層級有限元模型庫的數(shù)據(jù)管理、任務(wù)管理、系統(tǒng)權(quán)限管理、知識庫管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查看器等進(jìn)行集成與管理[3]。

數(shù)據(jù)層解決多層級有限元模型庫數(shù)據(jù)、模型、文件等所有相關(guān)信息的存儲、搜索、訪問[4]。

2.2 接口設(shè)計

功能模塊的邏輯結(jié)構(gòu)是：主程序通過調(diào)用各個子程序來實現(xiàn)對整個流程的控制，具體的各個功能分別用子程序來實現(xiàn)，這樣的層層調(diào)用把每個子程序的功能具體化，各司其職，除了些必要的數(shù)據(jù)傳遞，每個功能塊之間是相對獨立的[5]。

多層級有限元模型庫需要用戶登錄，用戶輸入用戶名和密碼，系統(tǒng)對用戶權(quán)限進(jìn)行驗證后才可以登入。用戶有兩種：管理員和普通用戶。管理員能夠新增、修改、刪除材料數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，普通用戶只能查看數(shù)據(jù)庫中的試驗與材料。

設(shè)計用戶權(quán)限表，存儲用戶的相關(guān)信息：用戶名、密碼、權(quán)限。用戶信息表見表1。

表1 用戶信息表

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)類型

多層級有限元模型庫主要包括該模型的基本信息、基準(zhǔn)模型及對分析軟件系統(tǒng)中所涉及分析方法的評估等數(shù)據(jù)。多層級有限元模型庫數(shù)據(jù)架構(gòu)見圖2。

圖2 多層級有限元模型庫數(shù)據(jù)架構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

多層級有限元模型庫能夠?qū)τ邢拊Ｐ偷南嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶化的高效有序管理，根據(jù)樹級層次結(jié)構(gòu)存儲多層級有限元模型[6]。

多層級有限元模型庫的數(shù)據(jù)包括：有限元模型的相關(guān)信息、分析方法和相關(guān)報告、評估數(shù)據(jù)，分別包含以下具體數(shù)據(jù)：

(1)某有限元模型的相關(guān)信息：有限元模型名稱；模型所屬飛機(jī)型號；模型描述信息；模型預(yù)覽圖片；建模技術(shù)；計算方法；分析軟件；分析方法；目錄樹節(jié)點信息表。

(2)分析評估數(shù)據(jù)：各工況對應(yīng)的分析數(shù)據(jù)。

在SQLite數(shù)據(jù)庫中，每個模型具有唯一標(biāo)示的ID，利用3張數(shù)據(jù)表完成整個數(shù)據(jù)庫的搭建，如表2-表4所示。

表2 目錄樹節(jié)點信息表

表3 有限元模型信息表

表4 有限元模型文件信息表

4 界面設(shè)計

用戶在數(shù)據(jù)庫選擇窗口選擇后即進(jìn)入初始主窗口，窗口中包含工具欄、菜單欄，提供材料數(shù)據(jù)的新建、修改、刪除以及材料數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出。其中，新建、修改、刪除功能僅對管理員權(quán)限開放。窗口上方是工具欄區(qū)域，窗口下方展示的是材料數(shù)據(jù)存儲的層次結(jié)構(gòu)，簡稱為目錄樹(如圖3所示)。目錄樹提供了一種對材料數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的有效方法，即通過樹形的層級關(guān)系來反映材料數(shù)據(jù)的分類。目錄樹上的節(jié)點有兩類：目錄節(jié)點和數(shù)據(jù)節(jié)點。目錄節(jié)點類似于“文件夾”，而數(shù)據(jù)節(jié)點則代表具體的材料數(shù)據(jù)。用戶可通過對目錄節(jié)點的操作，達(dá)到自定義材料存儲層次及分類的效果。

圖3 數(shù)據(jù)庫窗口

5 結(jié)束語

通過研究通用軟件體系架構(gòu)，提出了多層級有限元模型數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步給出了數(shù)據(jù)庫的設(shè)計思路，論述了多層級有限元模型數(shù)據(jù)庫設(shè)計中層次化的分類結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)流程進(jìn)行了詳細(xì)的論述。同時針對工程應(yīng)用開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫界面，為多層級有限元模型庫的開發(fā)規(guī)劃出總的架構(gòu)和范圍，為多層級有限元模型數(shù)據(jù)庫綜合設(shè)計提供了可靠的支撐。