多層級(jí)有限元模型數(shù)據(jù)庫(kù)綜合設(shè)計(jì)與應(yīng)用

聶珊珊，聶小華

(中國(guó)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(jì)和發(fā)展通常采用“積木式”的試驗(yàn)與分析相結(jié)合的過(guò)程，通過(guò)試驗(yàn)可以驗(yàn)證有限元分析的結(jié)果，而用有限元分析來(lái)指導(dǎo)物理試驗(yàn)實(shí)施，可在一定程度上節(jié)約試驗(yàn)成本，同時(shí)在輔助試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中增加了試驗(yàn)的可靠性。工程中,分析/試驗(yàn)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(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)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(yàn)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(yàn)與分析中的每個(gè)層級(jí)都建立在多層級(jí)模型所積累經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)之上，隨著工程先驗(yàn)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(duì)不同的分析任務(wù)要建立多套各級(jí)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(guò)程中，此類歷史數(shù)據(jù)對(duì)研制過(guò)程可起到至關(guān)重要的作用。考慮到對(duì)以上數(shù)據(jù)的高效利用，構(gòu)建多層級(jí)有限元模型數(shù)據(jù)庫(kù)的需求尤為迫切，要求數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋有限元模型的基本信息、模型構(gòu)建時(shí)涉及的建模技術(shù)、計(jì)算方法和分析軟件、結(jié)合強(qiáng)度問(wèn)題的特點(diǎn)及模型校核與驗(yàn)證的思想，以及對(duì)分析軟件系統(tǒng)中所涉及分析方法的評(píng)估等，其是重要的快速建模軟件工具，形成模型質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和交互映射數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建和應(yīng)用能有效提高在研飛機(jī)型號(hào)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(kù)模型構(gòu)建的具體內(nèi)容，本文提出了多層級(jí)有限元模型庫(kù)的綜合設(shè)計(jì)方案，包括架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)組織、界面設(shè)計(jì)等。首先以多層級(jí)有限元模型庫(kù)架構(gòu)技術(shù)研究為出發(fā)點(diǎn)，為數(shù)據(jù)庫(kù)總體開(kāi)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的研制。多層級(jí)有限元模型庫(kù)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(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

多層級(jí)有限元模型庫(kù)的總體框架設(shè)計(jì)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(gè)層級(jí)。

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(jí)有限元模型庫(kù)基于B/S架構(gòu)的系統(tǒng)門(mén)戶，可實(shí)現(xiàn)用戶不同角色通過(guò)Web對(duì)多層級(jí)有限元模型庫(kù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的訪問(wèn)。各種不同的角色(如總師、型號(hào)總師、專業(yè)總師、項(xiàng)目經(jīng)理、仿真分析工程師、設(shè)計(jì)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(jí)有限元模型庫(kù)系統(tǒng)中參與相關(guān)的工作[2]。

應(yīng)用功能層針對(duì)多層級(jí)有限元模型庫(kù)的數(shù)據(jù)管理、任務(wù)管理、系統(tǒng)權(quán)限管理、知識(shí)庫(kù)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(jí)有限元模型庫(kù)數(shù)據(jù)、模型、文件等所有相關(guān)信息的存儲(chǔ)、搜索、訪問(wèn)[4]。

2.2 接口設(shè)計(jì)

功能模塊的邏輯結(jié)構(gòu)是：主程序通過(guò)調(diào)用各個(gè)子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)流程的控制，具體的各個(gè)功能分別用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣的層層調(diào)用把每個(gè)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(gè)功能塊之間是相對(duì)獨(dú)立的[5]。

多層級(jí)有限元模型庫(kù)需要用戶登錄，用戶輸入用戶名和密碼，系統(tǒng)對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)，普通用戶只能查看數(shù)據(jù)庫(kù)中的試驗(yàn)與材料。

設(shè)計(jì)用戶權(quán)限表，存儲(chǔ)用戶的相關(guān)信息：用戶名、密碼、權(quán)限。用戶信息表見(jiàn)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(jí)有限元模型庫(kù)主要包括該模型的基本信息、基準(zhǔn)模型及對(duì)分析軟件系統(tǒng)中所涉及分析方法的評(píng)估等數(shù)據(jù)。多層級(jí)有限元模型庫(kù)數(shù)據(jù)架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 多層級(jí)有限元模型庫(kù)數(shù)據(jù)架構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

多層級(jí)有限元模型庫(kù)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(shù)級(jí)層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)多層級(jí)有限元模型[6]。

多層級(jí)有限元模型庫(kù)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(bào)告、評(píng)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(hào)；模型描述信息；模型預(yù)覽圖片；建模技術(shù)；計(jì)算方法；分析軟件；分析方法；目錄樹(shù)節(jié)點(diǎn)信息表。

(2)分析評(píng)估數(shù)據(jù)：各工況對(duì)應(yīng)的分析數(shù)據(jù)。

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

表2 目錄樹(shù)節(jié)點(diǎn)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(jì)

用戶在數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)管理員權(quán)限開(kāi)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(chǔ)的層次結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱為目錄樹(shù)(如圖3所示)。目錄樹(shù)提供了一種對(duì)材料數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的有效方法，即通過(guò)樹(shù)形的層級(jí)關(guān)系來(lái)反映材料數(shù)據(jù)的分類。目錄樹(shù)上的節(jié)點(diǎn)有兩類：目錄節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。目錄節(jié)點(diǎn)類似于“文件夾”，而數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)則代表具體的材料數(shù)據(jù)。用戶可通過(guò)對(duì)目錄節(jié)點(diǎn)的操作，達(dá)到自定義材料存儲(chǔ)層次及分類的效果。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)窗口

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究通用軟件體系架構(gòu)，提出了多層級(jí)有限元模型數(shù)據(jù)庫(kù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步給出了數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)思路，論述了多層級(jí)有限元模型數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中層次化的分類結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行了詳細(xì)的論述。同時(shí)針對(duì)工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)界面，為多層級(jí)有限元模型庫(kù)的開(kāi)發(fā)規(guī)劃出總的架構(gòu)和范圍，為多層級(jí)有限元模型數(shù)據(jù)庫(kù)綜合設(shè)計(jì)提供了可靠的支撐。