支持强度分析的轻量级材料数据库的设计与开发

王晓辉 王立凯 常 亮 聂小华

(中国飞机强度研究所 陕西 西安 710065)

0 引 言

“材料基因组计划”MGI(Materials Genome Initiative)是美国总统奥巴马在2011年6月24日提出，旨在“将先进材料的发现、开发、制造和使用的速度提高一倍”。该计划主要包括三大系统：高通量材料计算系统、材料性能表征与测试技术系统以及材料设计性能数据库与信息平台系统，其中材料数据库是必不可少的重要部分[1-5]，其用途主要为材料计算模拟和材料实验提供基础数据和实验依据，为产品结构分析和性能评定提供有力工具和数据支撑。材料是整个国防工业生产的基础，材料数据库的研究和开发则是工业现代化的重要方面。伴随着工业技术和制造业的迅猛发展，材料已成为当今社会的战略性资源[6]。随着信息技术的飞速发展，采用有限元分析技术进行强度分析与评定已成为飞机结构设计过程的标准流程之一。其中在有限元分析中，材料数据直接决定了分析的准确性，因此材料数据库技术就变得更为重要。

随着信息化技术的发展和材料科学的进步，材料数据库系统已成为衡量现代化产品设计和制造业水平的重要指标[7-8]。国外材料数据库发展起步较早，特别是欧美等发达国家。比如：美国的MatWeb数据库[9]、Granta MI软件平台[10]、先进材料及制备技术中心(AMPTIAC)[10]等；欧洲材料中心的聚变材料性能数据库[11]; 荷兰PETTER欧洲研究中心的高温热学材料数据库(MatDB)[12];日本国家材料科学研究院(NIMS)建立的“材料数据平台”[13]等。在国内，材料数据库的发展比较缓慢，尤其在材料理论与设计方面远落后于欧美发达国家。虽然近年来，在信息化建设的支持下，国内相关科研院所建立了一批数据库，包含EASE4.4新增中国吸声材料数据库[14]、北科大支持构建的自然腐蚀材料数据库[10]、中科院开发的核反应堆材料数据库平台NRMD[15]、北京航空材料研究院建立的先进复合材料数据库[16]等。但在航空领域，随着新型飞机的出现，超高的技战术指标促使飞机的设计与分析变的精细化，对新材料的性能提出了更多、更高的要求，也使得材料数据库的发展显现出一些问题：一方面，有限元分析类型已从传统的载荷模型分析过渡到精细化模型分析，其中分析使用的参数类型不局限于传统的通用材料数据库具备的材料的弹性模量和泊松比等材料参数，逐渐引入了材料的各项异性性能，并向金属断裂损伤，复合材料分析等方向发展；另一方面，大多数商软或者军用材料数据库数据完整，性能优越，但由于技术封锁，更新落后和虚高价格使得国内进口或购买变得困难，大幅增加了维护和管理成本。因此，结合工程结构分析，材料数据来源可靠，维护成本低廉，开发周期短，自主知识产权将是未来工程材料数据库开发的重要方向。

鉴于此，本文主要针对结构强度分析流程，以SQLite为数据库平台，基于Visual Studio 2010和Qt图形框架，开发了一个支持精细强度分析的轻量级工程材料数据库，使其能对材料参数进行查询、分析、比较和插值拟合，同时具备构建材料模型的功能，使之与有限元分析软件紧密结合，有效地节约分析时间和成本。

1 设计目标

工程材料数据库通过采用Visual Studio 2010和Qt图像框架进行编码实现，完成对SQLite数据库中创建的材料性能参数表的调用，设计目标应该从数据完整性、功能需求和应用分析三个方面考虑。

1.1 数据完整性

• 收集国内航空常用材料力学性能数据，涵盖了典型金属、蜂窝、复材、铺层模板、橡胶以及特殊材料等多种牌号的材料数据，包括这些材料的物理性能、力学性能、工艺性能、试验性能、化学性能以及基本成形性能等多层次材料参数。

• 包含材料可追溯性参数，如厂家、试验人员、日期等数据背景信息。

1.2 功能需求

• 在SQLite中按上述性能分类的层次关系创建材料数据表，以材料牌号(底层采取唯一ID标识)作为主键，通过构建数据表的内容，将材料信息存入表中，并支持数据库删除、修改、查询等操作。

• 数据库系统中包含数据插值拟合算法，根据有限的离散化的试验数据点，通过数据插值的方式提供仿真分析需要的数据曲线。

1.3 应用分析

• 具备良好的跨平台特性，实现丰富的软件功能，发展成为各类材料数据应用平台的集成模块，增强数据库应用范围。

• 具备良好的扩展接口，按照不同分析类型构建对应的材料模型，针对HAJIF、NASTRAN等有限元模拟软件输出材料模型文件。

基于以上设计目标，该材料数据库的系统数据概念结构模型如图1所示。

图1 系统数据概念结构模型

程序设计采用层次化的三层体系结构软件设计技术，如图2所示，将数据库划分为界面层、业务层和数据层三层[17]。界面层用于实现人机交互；业务层属于整个数据库的核心,可将接收到的界面层传递过来的操作信号, 按照特定的业务逻辑发送给数据层实现用户意图；数据层可实现对底层数据库的访问和调用。

图2 数据库三层体系架构

2 轻量级工程材料库的建立

2.1 数据的收集及获取

材料数据库中的数据获取方式主要来源于国内外权威的材料手册和书籍以及学术论文，如《金属材料性能的确定与标准化(上/下册)》[18]《飞机设计手册》[19]等，也有部分数据来源于有限元模拟软件和材料试验。其中，在纸质版的材料手册和书籍当中，很多的材料性能参数往往以曲线图片的格式给出，在此可以通过图片曲线数值化软件GetData Graph Digitizer处理。如图3所示，导入15-5PH不锈钢在不同热处理状态的典型拉伸应力-应变曲线图片，首先选择GetData工具栏“Set axis scale”操作设置坐标轴范围，其次选择工具栏“Point capture mode”操作进行图片曲线数据采集，结果见表1。以此对同一温度下的数据进行三次样条插值拟合，可以得到更多材料数据，为后续数据库构建奠定基础。

图3 材料曲线图片数据采集界面

表1 15-5PH不锈钢不同热处理状态和应变所对应的应力值

三次样条数据拟合算法原理：已知平面上n个离散点(xi,yi)(i=1,2,…,n)，其中x1

经过编码实现，通过三次样条插值可得到分段的插值多项式，数据拟合效果如图4所示。可以看出，数据拟合既增加了数据选取范围，又可以方便地通过插值多项式计算获取所需要的材料参数。

图4 插值拟合后的15-5PH不锈钢不同热处理状态对应的应力-应变曲线

通过收集及试验获取材料数据，最终确定了266种材料数据和1 788种的复材铺层数据模板，如下为收集的材料的牌号及名称：

• 铝: 2024，2219，5052，7075，LC4，LC9

• 镁: AZ31，MB15

• 特种钢: AISI4140

• 不锈钢: 0Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti，2Cr13Ni14Mn9，1Cr13，2Cr13，1Cr17Ni2, 15-5PH

• 钛: Ti6Al4V，TA1，TA2，TC1，TC3，TC4，TB3

• 铍: SF200D，Be S200F，AlBe162，AlBe140

• 铜: T2，T3，Ti153，Ti533，Ti6Al2Sn4Zr2Mo

• 高温合金: Inconel718，Inconel Alloy 600，A-286，Hastelloy X，Rene41，Haynes 188，GH1035，GH1140

• 纸蜂窝: 1/8-Paper-.004

• 铝蜂窝: 1/4-5052-.007N

• 钛蜂窝: 1/4-75A-.002

• 钢蜂窝: 1/4-17-7PHA-.002

• 复材蜂窝: ECK-1/8-2.5 (1.4)，ECA-1/8-3.0 (2)，ECK-R-3/16-3.0 (1.8)，ECK-1/8-5.0(2.8)

• 合金蜂窝: Ti-3Al-2.5V_.002_3/16，Ti-3Al-2.5V_.002_1/4，Ti-3Al-2.5V_.002_1/8，Ti-3Al-2.5V_.002_3/8，IN617_.002_3/8

• 石墨环氧树脂: IM7/977-2，M46J/7714，

IM7/977-2，AS4/3502，IM7/8551-7，

IM7-5250-5，Gen/PMR-15，T650/PMR-15

• 钛基复材: SCS-6/Ti21S，SCS-6/Ti-15-3-3

• 陶瓷基: Carbon/Carbon CC137

• 复材铺层模板: 包含航空常用铺层模板数据，按照铺层角度和层数进行划分

• 天然橡胶: 1140,1141，1142,1143,1144,1150,1151,1152,1180,

• 丁苯橡胶: 3160,3180,3383

• 氯丁橡胶: 4150,4160，4161,4162,4170,4171,4172,4190

• 丁腈橡胶: 5160,5170,5172,5180，试5171，P106

• 乙丙橡胶: 8360,8370,8380，E-2-90

• 硅橡胶: 6141,6142,6143,6144，G105,G168

• 氟硅橡胶: G401,G409,G441

• 氟橡胶: FX-4，FX-5，FX-10,F275，F370

每一种材料都包含了材料的物理性能参数、力学性能参数，以及与温度相关的参数曲线和材料的本构模型等。这些参数可以直接用于数据库的开发以及有限元模拟时材料模型的构建。

2.2 数据的存储

SQLite数据库具有小巧、开源、易用、高效等特点，无需安装，维护方便[20]，很大程度上减轻了开发技术人员的工作量，可以满足轻量级工程材料库对于数据传输和存储效率的要求。因此，通过对材料数据信息划分归类，进行了材料数据结构的总体设计。在SQLite中建立了名为.db的数据库文件，在该数据库中创建7个数据信息表和7个对应的性能参数表，分别存储材料数据信息和材料性能参数等，各数据表之间通过主键(材料编号ID)相互关联。

3 材料数据库的开发

基于功能需求分析，材料数据库的开发主要在Visual Studio 2010框架下采用面向对象的程序设计思想进行开发，包含数据库界面设计、界面交互、业务功能处理和SQLite数据库的封装，具体用到以下工具：

• 计算机操作系统：Windows7 64位系统。

• 编程语言及第三方库：C++、Qt，Qwt。

• 编程开发平台：Visual Studio 2010，SQLite Expert Professional。

3.1 用户界面的设计开发

本文在C++编程框架下，将以用户为中心的设计思想和功能分析思想进行融合[21-22]，基于Qt进行了数据库软件的用户界面设计与开发。其中QT作为一个面向对象的图形用户界面应用程序框架，以其良好的跨平台移植性能而著称，具有较好的封装性和强大的API，丰富的函数库和扩展类可以为开发人员提供方便的调用，进行组件编程[21]。另外，Qt拥有的信号与槽机制，操作简便灵活，可实现对象间的数据响应和通信，完成界面交互，且界面事件独立于其他事件循环，执行效率很高[23-24]。

如图5所示，Qt所具备的控件可匹配主界面(QMainWindow 或QDialog)的所有显示元，如菜单栏(QMenuBar)、工具栏(QToolbar)、结构树(QTreeWidget)、按钮(QPushButton)、输入框(QLineEdit)、标签(QLabel)和二维曲线(QwtPlot)等，满足了数据库软件操作和界面美观的要求。对于具体材料定义，不仅包含输入参数，还有基于试验数据通过三次样条插值拟合的二维曲线，可通过鼠标拾取获得感兴趣的性材料参数。对于具体材料都有一个材料参数定义界面(QDialog)，不仅包含输入参数，还有基于试验数据通过三次样条插值拟合的二维曲线，可通过鼠标拾取获得感兴趣的性材料参数。

图5 材料数据库主界面

对于具体材料，如图6所示都有一个材料参数定义界面(QDialog)，不仅包含输入参数，还有基于试验数据通过三次样条插值拟合的二维曲线，可通过鼠标拾取获得感兴趣的性材料参数。

图6 材料数据定义界面

3.2 SQLite数据库封装

执行层主要通过封装程序接口，实现数据库访问的功能，因此需要建立数据执行引擎。

3.2.1 核心对象

database_connection和prepared_statement是SQLite中最主要的两个对象[25]，主要用在各个SQLite具体操作中。其中，数据库基本操作涉及到的标准接口见表2。

表2 SQLite标准接口

3.2.2 二次封装

将SQLite数据库的API二次封装为适合调用的扩展类DbSqlite的接口函数(见表3)。通过在Visual studio2010建立工程项目，编译Win32/64平台所需要的SQLite库文件，供材料库项目调用,完成数据库的基本操作。

表3 SQLite 二次封装接口

4 材料数据库的可行性验证

构建轻量级工程材料库的目的是便于为强度结构工程分析和有限元仿真提供几何模型的物理属性支持。其中，HAJIF是由中国飞机强度所自主研发推出的国内航空界功能最为全面的大型CAE分析软件系统，具有高度可扩展性。因此，基于HAJIF基础平台和开发环境，将材料数据库以组件的形式和HAJIF软件系统进行了无缝结合。如图7所示，在HAJIF软件平台上，通过材料库的加载材料数据或写出材料卡片等操作可以方便快速地进行模型材料属性的构建，进而辅助完成有限元分析，提高了建模分析的效率。

图7 材料库与分析软件HAJIF无缝结合

5 结 语

采用Visual studio 2010和SQLite及Qt开发出了一套功能完善的可跨平台的轻量级工程材料数据库软件，将收集及试验得到的多种材料数据录入该数据库中。通过程序实现了对材料性能参数的增删改以及查询等功能，并且可以作为组件模块通过定义接口直接与分析软件无缝结合，为企业的选材和仿真分析提供了一定的依据。

该材料数据库最初主要是针对结构强度分析用的材料性能数据所开发，在未来还将收集各类工程需求，更新软件功能和数据内容。目前，该数据库除了为济南特种结构研究所定制软件所应用，也在相关型号研制中发挥了重要作用，体现了很好的应用价值。