柴東波，楊東濤，郭曉冬

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

1 引 言

結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)作為飛機(jī)研制過(guò)程中重要的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)的檢修周期具有十分重要的意義，也是目前確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全使用壽命的重要手段[1]。試驗(yàn)中將幾百種載荷工況按照一定的順序和頻次組合，構(gòu)成載荷譜，再通過(guò)一套加載系統(tǒng)按照載荷譜將疲勞交變載荷施加在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，模擬飛機(jī)在整個(gè)服役期內(nèi)可能遇到的各種空中、地面使用情況[2]。飛機(jī)疲勞試驗(yàn)至少完成2.5倍以上使用壽命試驗(yàn)，通常試驗(yàn)周期為5～10年[3]。

疲勞試驗(yàn)周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量大，如何對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，是疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，也是試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析人員一直研究的課題。

目前，對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理采用文本格式存儲(chǔ)，基于EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，效率低下，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整個(gè)疲勞試驗(yàn)周期的分析。安剛[4-7]等人提出了多種異常疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的判斷及分析方法，但是缺少對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理研究。

因此，本文采用C#語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、SQL Server 2008 R2作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)了一款飛機(jī)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件，可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理和基本的數(shù)據(jù)分析，大大提高了疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的效率。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)是一項(xiàng)長(zhǎng)周期的項(xiàng)目，試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)種類相對(duì)單一(主要為應(yīng)變、位移數(shù)據(jù))，但數(shù)據(jù)量特別大；應(yīng)變和位移測(cè)量點(diǎn)經(jīng)常隨著試驗(yàn)的進(jìn)行不斷地增減，大大增加了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理的難度。SQL Server是微軟公司推出的一款關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，具有使用方便、可伸縮性好和相關(guān)軟件集成度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速插入和搜索功能。本文采用SQL Server 2008 R2，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與測(cè)量點(diǎn)編號(hào)分別管理的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)快速分析

以可視化的曲線圖顯示各測(cè)量點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，幫助試驗(yàn)人員進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的判斷；提供數(shù)據(jù)篩選功能，試驗(yàn)人員可以根據(jù)測(cè)量工況數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差或平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，幫助試驗(yàn)人員快速定位異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大加快疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析速度。

3 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于SQL Server 2008的試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、刪除功能；能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)搜索、篩選、曲線繪制、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)用于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，主要包括數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

(1)數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊。試驗(yàn)人員根據(jù)型號(hào)試驗(yàn)連接不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)、數(shù)據(jù)刪除工作。同時(shí)，為了方便對(duì)多個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行操作，系統(tǒng)需要具備批量導(dǎo)入功能。在數(shù)據(jù)導(dǎo)入過(guò)程中，需要對(duì)執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行提示。

(2)數(shù)據(jù)分析模塊。包括數(shù)據(jù)搜索、數(shù)據(jù)篩選、異常數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)記、歷程曲線繪制、異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)定位、多點(diǎn)對(duì)比和數(shù)據(jù)輸出等功能。

數(shù)據(jù)搜索：試驗(yàn)人員根據(jù)型號(hào)試驗(yàn)連接不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索，并以可視化的曲線圖形形式呈現(xiàn)，方便試驗(yàn)人員快速分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。

數(shù)據(jù)篩選：試驗(yàn)人員根據(jù)已搜索的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)的平均值或標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，快速定位異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

異常數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)記：基于初步分析結(jié)果，對(duì)異常數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，為異常數(shù)據(jù)的重點(diǎn)分析奠定基礎(chǔ)。

歷程曲線繪制：試驗(yàn)人員可以繪制試驗(yàn)數(shù)據(jù)的歷程曲線，觀察試驗(yàn)數(shù)據(jù)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的變化趨勢(shì)，定位異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的周期和起落。

異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)定位：通過(guò)鼠標(biāo)在曲線圖上的移動(dòng)，顯示當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期、起落、行號(hào)和測(cè)量值，幫助數(shù)據(jù)分析人員定位異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的起始位置。

多點(diǎn)對(duì)比：試驗(yàn)人員可以通過(guò)單點(diǎn)繪制功能，將多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的曲線在一張曲線圖中對(duì)比顯示，方便觀察同一部位或?qū)ΨQ部位多個(gè)測(cè)量點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，方便對(duì)試驗(yàn)件是否存在損傷進(jìn)行判斷。

數(shù)據(jù)輸出：試驗(yàn)人員可以將已搜索的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以文本形式保存在本地計(jì)算機(jī)，方便后期數(shù)據(jù)重點(diǎn)分析或報(bào)告編寫(xiě)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，飛機(jī)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)環(huán)境采用SQL Server 2008 R2，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中包含3類數(shù)據(jù)表，包括測(cè)量點(diǎn)編號(hào)表、日志記錄表和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表。由于SQL Server 2008 R2單張數(shù)據(jù)表最大字段數(shù)量為1024，因此本系統(tǒng)單張?jiān)囼?yàn)數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)最大測(cè)量點(diǎn)編號(hào)數(shù)量為1000個(gè)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表數(shù)量不設(shè)上限。

(1)測(cè)量點(diǎn)編號(hào)表(Table_sensor)，主要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中已存在的測(cè)量點(diǎn)編號(hào)及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表名稱，如表1所示。

表1 測(cè)量點(diǎn)編號(hào)表

(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表(0、1……)，主要存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，用于實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速查詢，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

(3)日志記錄表(Table_log)，記錄對(duì)文件操作的記錄，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)文件是否已經(jīng)完成入庫(kù)以及入庫(kù)的時(shí)間，如表3所示。

表3 日志記錄表

4.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)連接實(shí)現(xiàn)

運(yùn)行系統(tǒng)軟件的同目錄下的setting.config文件，存儲(chǔ)要連接的服務(wù)器IP地址、登錄的用戶名和密碼，具體如圖1所示。

圖1 setting.config文件

軟件運(yùn)行，根據(jù)setting.config文件的配置連接服務(wù)器。如果setting.config文件不存在，則根據(jù)默認(rèn)設(shè)置連接本地SQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)生成setting.config文件。服務(wù)器連接成功后，軟件會(huì)自動(dòng)搜索服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)，連接要操作的數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)連接

4.2.2 入庫(kù)模塊實(shí)現(xiàn)

入庫(kù)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件由文本文件(數(shù)據(jù)格式如圖3所示)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，完成數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)功能，為后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。

圖3 數(shù)據(jù)文件格式

入庫(kù)模塊依據(jù)下列流程實(shí)現(xiàn)，具體如圖4所示。

圖4 入庫(kù)模塊實(shí)現(xiàn)流程

(1)連接數(shù)據(jù)庫(kù)；

(2)讀取數(shù)據(jù)文件中的測(cè)量點(diǎn)，判斷是否是首次使用數(shù)據(jù)庫(kù)；

取5份100 g的藕片，放入300 g水中，分別加入濃度為1.0%，1.1%，1.2%，1.3%，1.4%的硬化劑，在硬化溫度為30 ℃的條件下[15]，硬化2 h，根據(jù)感官評(píng)價(jià)選擇合適的硬化劑濃度。

(3)根據(jù)文件名稱判斷數(shù)據(jù)是否已經(jīng)入庫(kù)；

(4)判斷是否存在新增測(cè)量點(diǎn)；

(5)根據(jù)首行數(shù)據(jù)信息判斷數(shù)據(jù)是否已經(jīng)入庫(kù)；

(6)創(chuàng)建數(shù)據(jù)集；

(7)利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)填充數(shù)據(jù)集；

(8)將數(shù)據(jù)集寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)；

(9)插入操作日志。

圖5 入庫(kù)模塊軟件界面

4.2.3 數(shù)據(jù)分析模塊實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)人員可以利用系統(tǒng)對(duì)入庫(kù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索、篩選，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算搜索測(cè)量點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等信息，并繪制曲線圖。試驗(yàn)人員通過(guò)觀察曲線圖，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)，判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否異常，進(jìn)而確定試驗(yàn)件是否存在損傷，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)。

系統(tǒng)分析依據(jù)下列流程實(shí)現(xiàn)，具體如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)分析流程

(1)連接數(shù)據(jù)庫(kù)；

(2)導(dǎo)入需要分析的測(cè)量點(diǎn)號(hào)(默認(rèn)為數(shù)據(jù)庫(kù)中所有測(cè)量點(diǎn)，也可以導(dǎo)入失效測(cè)量點(diǎn)號(hào))；

(3)設(shè)定分析的起止周期、起落和載荷工況，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)搜索；

(4)設(shè)定數(shù)據(jù)篩選的條件，進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選；

(5)觀察各測(cè)量點(diǎn)的曲線圖，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)記異常數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)編號(hào)、異常數(shù)據(jù)的開(kāi)始周期、起落和行號(hào)；

(6)輸出分析結(jié)果。

軟件的主要功能界面如圖7-圖9所示。

圖7 分析模塊主界面

圖8 多點(diǎn)對(duì)比界面

圖9 測(cè)量點(diǎn)歷程曲線

5 結(jié) 論

飛機(jī)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基于飛機(jī)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的需求開(kāi)發(fā)的一套數(shù)據(jù)管理及分析軟件。結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)大大提高了疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析的效率，基于異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的部位和時(shí)間進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)具有很好的指導(dǎo)意義。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)全機(jī)和大部件的疲勞試驗(yàn)中成功應(yīng)用。