劉芳寧 王越 孫瑞俠 費躍

摘要：首先介紹了材料數(shù)據管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，其次，介紹了系統(tǒng)的選型過程和架構設計方法，然后闡述了登錄驗證、系統(tǒng)管理、屬性配置、數(shù)據管理、數(shù)據統(tǒng)計、數(shù)據轉換6大模塊的構建和開發(fā)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(tǒng)能夠對材料數(shù)據進行科學、有效管理。目前該系統(tǒng)已在航空院所部署并運行良好。

關鍵詞：航空材料?材料數(shù)據管理?材料性能數(shù)據?數(shù)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?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世紀80年代以來，數(shù)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(shù)據庫，這些數(shù)據庫主要分為通用的商業(yè)材料數(shù)據庫和針對特定項目建立的專用數(shù)據庫。其中，典型的商業(yè)材料數(shù)據庫有GRANT?MI公司的材料數(shù)據庫、MaterialCenter數(shù)據庫等。GRANT?MI數(shù)據庫能實現(xiàn)從材料圖譜、測試數(shù)據到設計用數(shù)據的全流程管理。該數(shù)據庫以鏈接的形式對相關數(shù)據進行關聯(lián)，實現(xiàn)對數(shù)據全流程的追蹤查詢。對設計用數(shù)據部分，GRANT?MI可實現(xiàn)訪問的控制和版本的控制。典型的專用數(shù)據庫有北京航空材料研究院開發(fā)的“航空材料性能數(shù)據庫”[1]、上海大學建立的“材料基因組工程專用數(shù)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(shù)據庫”[3]、西安工業(yè)大學建立的機械加工材料數(shù)據庫[4]、C63200鋁青銅合金數(shù)據庫[5]等。這些數(shù)據庫大多分布在各高校和研究所，沒有統(tǒng)一的存儲格式和收集標準，當前尚未形成成熟的數(shù)據管理方法與數(shù)據管理系統(tǒng)，并且存在數(shù)據庫標準化與數(shù)據分析軟件集成等方面的問題[6]。因此，需要對材料數(shù)據管理系統(tǒng)進行重新設計和開發(fā)，探索建立統(tǒng)一的材料數(shù)據存儲格式和標準，并實現(xiàn)數(shù)據統(tǒng)計和數(shù)據轉換等功能。

1航空材料性能數(shù)據管理系統(tǒng)的設計

1.1?整體設計思路

本文介紹的航空材料性能數(shù)據管理系統(tǒng)，綜合考慮技術選型、系統(tǒng)架構、功能模塊等多個維度，確保系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定和易用。在系統(tǒng)選型上，從底層的數(shù)據存儲出發(fā)，選擇高效且能滿足復雜查詢需求的數(shù)據庫，后端服務采用穩(wěn)定成熟、社區(qū)活躍的技術棧，前端界面利用現(xiàn)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(tǒng)劃分為展示層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據訪問層。展示層負責用戶界面的呈現(xiàn)及交互，業(yè)務邏輯層處理核心業(yè)務規(guī)則與流程，而數(shù)據訪問層對接數(shù)據庫進行數(shù)據的增刪改查操作。功能模塊設計方面，材料數(shù)據管理系統(tǒng)可管理材料研究過程中的材料測試數(shù)據、統(tǒng)計分析數(shù)據，以及設計許用數(shù)據等數(shù)據信息，可對材料基本信息及各類性能進行數(shù)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(shù)據的管理和展示。通過建立統(tǒng)一、規(guī)范的材料數(shù)據管理體系，建立與收集數(shù)據模板適配的數(shù)據錄入與轉換接口，實現(xiàn)收集數(shù)據的導入與管理，完成與企業(yè)門戶網站的集成應用。

1.2系統(tǒng)選型

系統(tǒng)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(yōu)雅的設計風格和出色的用戶體驗深受開發(fā)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(fā)流程；HTML5作為新一代網絡標準，它的引入使得系統(tǒng)具備更好的跨平臺兼容性與移動友好性，強化了系統(tǒng)的交互體驗；ECharts作為國內百度公司開源的數(shù)據可視化解決方案，為系統(tǒng)帶來了強大且豐富的數(shù)據展示功能，通過定制化的圖表展現(xiàn)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(shù)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(zhí)行標準數(shù)據庫功能，例如在資源中創(chuàng)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(fā)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(yè)級應用的標準之一。采用Spring框架能夠實現(xiàn)高效穩(wěn)定的業(yè)務邏輯處理，在構建系統(tǒng)過程中能夠充分利用其強大的社區(qū)支持與豐富的生態(tài)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(tǒng)的可控性和自主研發(fā)能力。其中主要包括：Zuul提供動態(tài)路由、監(jiān)控、彈性和安全等邊緣服務的框架；Swagge作為API描述規(guī)范；Eureka提供服務注冊功能；OpenFeign實現(xiàn)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(shù)據庫訪問，使數(shù)據庫的訪問變得方便快捷。

在數(shù)據庫層設計上，系統(tǒng)選用了達夢數(shù)據庫[7]和Elasticsearch（ES）。達夢數(shù)據庫作為國內領先的國產數(shù)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(shù)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(tǒng)可實現(xiàn)高性能、高可伸縮性的數(shù)據檢索與分析能力，極大地提高了業(yè)務效率和服務質量。

1.3系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)架構分為資源層、業(yè)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(tǒng)運行需要的數(shù)據資源、軟件資源、算法資源、數(shù)據轉換接口等部分內容；業(yè)務構建層為系統(tǒng)主要功能構建層，包含屬性配置、數(shù)據管理、數(shù)據統(tǒng)計、數(shù)據轉換、數(shù)據應用等部分；應用層還開發(fā)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(shù)據的獲取和應用。系統(tǒng)提供統(tǒng)一的用戶、角色、權限、系統(tǒng)日志、備份與恢復等統(tǒng)一的系統(tǒng)安全配置，保障系統(tǒng)的正常運行。

2?航空材料性能數(shù)據管理系統(tǒng)的開發(fā)

系統(tǒng)整體由登錄驗證、系統(tǒng)管理、屬性配置、數(shù)據管理、數(shù)據統(tǒng)計、數(shù)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(tǒng)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(tǒng)管理

系統(tǒng)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(chuàng)建以后，可通過創(chuàng)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(chuàng)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(tǒng)計分析。系統(tǒng)管理模塊主要功能如圖4所示。

2.3屬性配置

材料性能數(shù)據千差萬別，其數(shù)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(shù)據類型有文本、數(shù)值、點函數(shù)、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(shù)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(tǒng)設計了單位管理、常量管理、離散類型管理、參數(shù)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(shù)管理用于管理和協(xié)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(shù)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(xiàn)材料屬性的定制化管理，從而與不同的性能類別數(shù)據進行精確的匹配。圖5為屬性配置界面。

2.4?材料數(shù)據管理

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

材料數(shù)據管理模塊可進行數(shù)據檢索、數(shù)據模板配置、文件夾配置、數(shù)據記錄配置、模板導入導出、曲線繪制等。數(shù)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?；陉P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(shù)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(shù)據。基于材料屬性和關鍵詞的高級檢索還可實現(xiàn)數(shù)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(shù)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(shù)據記錄配置可對數(shù)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(shù)據記錄進行存儲和管理。

通過對數(shù)據記錄的配置，可設置數(shù)據庫的導航樹?？晒芾淼暮娇詹牧闲阅軘?shù)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(shù)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(shù)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(shù)據進行批導入。其數(shù)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(xiàn)了對錄入的曲線設置為X、Y軸對數(shù)坐標顯示。其界面如圖9所示。

2.5?數(shù)據統(tǒng)計

為實現(xiàn)材料數(shù)據的高效應用，充分挖掘材料數(shù)據的價值，數(shù)據統(tǒng)計功能可通過對實驗數(shù)據的統(tǒng)計分析，逐個獲取材料各項性能的實驗數(shù)據的統(tǒng)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(shù)量以及材料批數(shù)的統(tǒng)計。數(shù)據統(tǒng)計功能還能夠將材料的多項性能數(shù)據匯總，形成材料的性能統(tǒng)計數(shù)據，供設計人員使用。

2.6?數(shù)據轉換

通過數(shù)據轉換模板可解決系統(tǒng)數(shù)據文件與其他設計分析軟件數(shù)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(shù)據轉換功能，可通過靈活配置的方式設置不同的數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)配置，在參數(shù)配置中設置“應力”為曲線參數(shù)；再次在屬性管理中進行點函數(shù)配置，新建屬性分類，并選擇“點函數(shù)”作為光滑拉伸性能的屬性，在彈出界面中輸入函數(shù)名稱、選擇單位分類，選擇已經配置好的應力參數(shù)；然后進行模板配置，設置數(shù)據記錄的顯示布局；最后進行新建數(shù)據庫，選擇已經配置好的模板，并進行數(shù)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(shù)據管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)過程，采用面向對象的設計方法開發(fā)了一套配置靈活、界面友好的材料性能數(shù)據管理系統(tǒng)。在系統(tǒng)設計方面，本系統(tǒng)全技術棧層次清晰，并對核心技術自主創(chuàng)新能力高度重視，既確保了系統(tǒng)的先進性、穩(wěn)定性和安全性，又展現(xiàn)了在技術研發(fā)上的獨立創(chuàng)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(shù)據的查詢、分析和統(tǒng)計需求。系統(tǒng)管理模塊可實現(xiàn)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(shù)據、統(tǒng)計數(shù)據進行查詢、統(tǒng)計和分析，數(shù)據導入導出模板可在各獨立的數(shù)據庫之間傳遞數(shù)據，數(shù)據轉換功能能夠與計算分析軟件進行數(shù)據傳輸，加快材料設計分析效率。該系統(tǒng)已在行業(yè)內單位投入使用，目前運行良好，后續(xù)可不斷補充數(shù)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(fā)提供軟件支撐。

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