許向彥，艾 森，王立凱

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

航空典型金屬結(jié)構(gòu)強度校核理論與算法經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，現(xiàn)已趨于成熟[1]。然而，由于缺乏對理論算法的軟件化與工具化，相關(guān)設(shè)計與分析人員目前仍通過傳統(tǒng)的Excel等手工方法進行強度校核計算，這存在以下問題：(1)無法進行批量化處理；(2)有限元模型數(shù)據(jù)的未充分利用導(dǎo)致用戶需要手工填寫的校核參數(shù)過多；(3)校核結(jié)果缺乏圖形化顯示；(4)校核中相關(guān)系數(shù)的確定缺乏數(shù)據(jù)庫支持。

航空結(jié)構(gòu)強度分析與優(yōu)化設(shè)計軟件系統(tǒng)(HAJIF)[2]是中國飛機強度研究所研制推出的國內(nèi)航空領(lǐng)域功能全面的自主CAE軟件系統(tǒng)，其功能涵蓋了靜力、屈曲、模態(tài)、優(yōu)化等通用功能以及優(yōu)化等專用求解功能。

針對傳統(tǒng)校核方式存在的問題，本文依托HAJIF平臺，利用其模型處理能力與圖形化顯示能力，設(shè)計了金屬結(jié)構(gòu)強度校核的軟件化流程，豐富了強度校核結(jié)果的展示形式，形成了批量化處理強度校核任務(wù)的能力。同時，考慮到與HAJIF系統(tǒng)的兼容，基于目前主流的GUI設(shè)計工具Qt設(shè)計開發(fā)了金屬強度校核模塊前后置界面，基于SQLite構(gòu)建了曲線數(shù)值庫，并基于python-docx實現(xiàn)了報告的自動生成，提高了強度設(shè)計與分析人員的工作效率，具備一定的工程實用價值。

2 軟件設(shè)計

金屬結(jié)構(gòu)強度校核模塊由六大功能區(qū)組成，分別是校核類型選擇區(qū)、破壞模式與組數(shù)據(jù)準備區(qū)、校核參數(shù)定義區(qū)、校核工況定義區(qū)、校核結(jié)果顯示區(qū)、校核輔助功能區(qū)(如圖1所示)。

圖1 金屬結(jié)構(gòu)強度校核主界面

金屬結(jié)構(gòu)強度校核模塊支持長桁拉伸、蒙皮拉伸、長桁壓損、蒙皮壓縮屈曲、蒙皮皺曲、釘間蒙皮屈曲、蒙皮剪切屈曲、蒙皮拉剪復(fù)合屈曲、蒙皮壓剪復(fù)合屈曲、型材歐拉失穩(wěn)等10種破壞模式計算。依托HAIJF平臺所設(shè)計的校核流程如圖2所示。

圖2 強度校核流程圖

其中，校核組利用HAJIF系統(tǒng)中的組功能進行創(chuàng)建，校核類型支持許用值計算與裕度計算。破壞模式中包含10種常見模式，材料參數(shù)可以直接從有限元模型中提取，無需用戶填寫。每種破壞模式的計算參數(shù)有所不同，當填寫完所有參數(shù)后，可新建校核工況加入校核列表。用戶根據(jù)自己需要完成所有校核任務(wù)的創(chuàng)建工作后，可批量提交至后臺計算程序進行計算，前后置界面與后臺利用json文件進行數(shù)據(jù)交互。計算完成后，通過兩種方式給用戶呈現(xiàn)計算結(jié)果，分別為圖形化顯示與值顯示，用戶確認數(shù)據(jù)無誤后即可生成校核報告。

3 軟件實現(xiàn)

3.1 界面實現(xiàn)

金屬結(jié)構(gòu)強度校核模塊的界面實現(xiàn)[3-6]主要用到了QWidget與QLayout兩個基類所派生的多個子類，比如QPushButton類、QGroupBox類、QTabWidget類、QDialog類、QLable類、QLineEdit類、QGridLayout類、QStackedLayout類等。

(1)QWidget類是所有用戶界面對象的基類，Qt基本上所有的UI類都是由QWidget派生而來。

(2)QLayout類作為布局類的基類，是抽象類，提供多種接口函數(shù)給繼承類。QLayout類及其常用派生類的繼承關(guān)系如圖3所示。

圖3 QLayout類繼承關(guān)系圖

(3)QPushButton類是一個按鈕類，通過QPushButton類利用Qt的信號槽機制可以實現(xiàn)按鈕功能，完成業(yè)務(wù)需求。

(4)QGroupBox類繼承自QWidget類，通常帶有一個邊框和一個標題欄，可以作為容器部件來使用。

(5)QTabWidget類提供了一堆選項卡式窗口部件。一個選項卡部件提供一個標簽欄和一個頁面區(qū)，頁面區(qū)用于顯示與該標簽關(guān)聯(lián)的相關(guān)內(nèi)容。

(6)QDialog類代表對話框，對話框一般用來實現(xiàn)那些只是暫時存在的用戶界面。

(7)QLineEdit類用來獲取用戶輸入。

(8)QGridLayout類是一個布局類，用來對各子部件網(wǎng)格化布局。

(9)QStackedLayout類屬于布局管理器中的一個常用類，與QTabWidget類類似，該類用來切換不同的界面。

利用上述類可以完成金屬結(jié)構(gòu)強度校核模塊的界面構(gòu)建，軟件主界面的布局及構(gòu)建程序如下：

void sCheckDlg::initUI(){

QVBoxLayout *mainLayout = new QVBoxLayout(this);

//主界面垂直布局

QGroupBox *basicInfoGroup = createBasicGroup(this);

//創(chuàng)建校核類型選擇區(qū)子界面

QTabWidget *m_tabWidget = new QTabWidget(this);

//創(chuàng)建選項式窗口部件

m_tabWidget->addTab(createTableMentalWidget(this),tr(“Mental”));

//增加金屬標簽頁

m_tabWidget->addTab(createTableMatWidget(this),tr(“Material”));

//增加材料標簽頁

QGroupBox *resultInfoGroup = createResultGroup(this);

//創(chuàng)建校核結(jié)果顯示區(qū)子界面

QGroupBox *buttonGroup = createButtonGroup(this);

//創(chuàng)建輔助功能區(qū)子界面

QVBoxLaout *layTabRes = new QVBoxLayout();

//校核類型選擇區(qū)與主操作區(qū)進行垂直布局

layTabRes->addWidget(basicInfoGroup);

layTabRes->addWidget(m_tabWidget);

QHBoxLayout *layTabStatus = new QHBoxLayout();

//對layTabRes與校核結(jié)果顯示區(qū)水平布局

layTabStatus->addLayout(layTabRes,8);

layTabStatus->addLayout(resultInfoGroup,2);

mainLayout->addLayout(layTabStatus);

//對layTabStatus與輔助功能區(qū)垂直布局

mainLayout->addWidget(buttonGroup,0,Qt::AlignRight);

//使輔助功能區(qū)靠右

setLayout(mainLayout);

//將mainLayout布局設(shè)置為主顯示

}

金屬結(jié)構(gòu)強度校核模塊的主操作區(qū)(破壞模式與組數(shù)據(jù)準備區(qū)、校核參數(shù)定義區(qū)、校核工況定義區(qū))界面主要利用QStackedLayout類、QRadioButton類以及QGroupBox類實現(xiàn)。QRadioButton通過利用信號槽機制實現(xiàn)10種破壞模式的切換，QStackedLayout類用來存儲10種破壞模式的子界面，QGroupBox類用來實現(xiàn)其中具體一種破壞模式的界面。利用QStackedLayout類存儲10種破壞模式界面的程序?qū)崿F(xiàn)如下：

QGroupBox *m_stackedGroup = new QGroupBox(this);

QStackedLayout *m_stackedLayout = new QStackedLayout(m_stackedGroup);

m_stackedLayout->insertWidget(DestructionModeMark::LongStretch,createLongStretchWgt(m_stackedGroup));

//插入長桁拉伸界面

m_stackedLayout->insertWidget(DestructionModeMark::SkinStretch,createSkinStretchWgt(m_stackedGroup));

//插入蒙皮拉伸界面

m_stackedLayout->insertWidget(DestructionModeMark::LongCompress,createLongCompressWgt(m_stackedGroup));

//插入長桁壓縮界面

m_stackedLayout->insertWidget(DestructionModeMark::SkinInstable,createSkinInstableWgt(m_stackedGroup));

//插入蒙皮壓縮屈曲界面

m_stackedLayout->insertWidget(DestructionModeMark::SkinWrinkle,createSkinWrinkleWgt(m_stackedGroup));

//插入蒙皮皺曲界面

m_stackedLayout->insertWidget(DestructionModeMark::SkinNailsInstable,createSkinNailsInstableWgt(m_stackedGroup));

//插入釘間蒙皮屈曲界面

m_stackedLayout->insertWidget(DestructionModeMark::SkinShearBuck,createSkinShearBuckWgt(m_stackedGroup));

//插入蒙皮剪切屈曲界面

m_stackedLayout->insertWidget(DestructionModeMark::SkinStrtchShearBuck,createStrtchShearBuckWgt(m_stackedGroup));

//插入蒙皮拉剪復(fù)合屈曲界面

m_stackedLayout->insertWidget(DestructionModeMark::SkinCompressShearBuck,createCompressShearBuckWgt(m_stackedGroup));

//插入蒙皮壓剪復(fù)合屈曲界面

m_stackedLayout->insertWidget(DestructionModeMark::PorfileOula,createProfileOulaBuckWgt(m_stackedGroup));

//插入型材歐拉失穩(wěn)界面

m_stackedLayout->setCurrentIndex(0);

//將長桁拉伸界面設(shè)置為當前顯示界面

3.2 子模塊功能實現(xiàn)

重構(gòu)后的強度校核流程可以在一定程度上減少用戶參數(shù)輸入的工作量，提高相關(guān)人員的工作效率。然而，該流程的順利執(zhí)行需要底層特色子模塊的支撐。下面是對幾個子模塊的介紹。

(1)數(shù)據(jù)交互模塊

強度校核前后置系統(tǒng)與求解器之間使用json格式文件進行數(shù)據(jù)交互。json是一種能夠代替XML的輕量級數(shù)據(jù)交換格式[7]，具有良好的可擴展性與可讀性。前后置界面利用Qt編寫而成，為了兼容Qt，在該系統(tǒng)中使用jsoncpp完成對json文件的解析與輸出。Jsoncpp是一個開源的輕量級C++ json庫，允許操作JSON值，包括與字符串之間的序列化和反序列化。使用該庫中的Json::Value，Json::Reader，Json::Writer3個基本類可以完成json文件的解析。前后置的輸出與求解器輸出json數(shù)據(jù)分別如圖4與圖5所示。

圖4 前置輸出json文件格式

圖5 求解器輸出json文件格式

(2)曲線數(shù)值庫

金屬結(jié)構(gòu)強度校核過程中，一些破壞模式的計算需要輸入相關(guān)系數(shù)，用戶在沒有任何參考的情況下對此參數(shù)的設(shè)定會無法確定。鑒于此，該模塊實現(xiàn)了曲線數(shù)值庫供用戶查詢使用。

曲線數(shù)值庫基于SQLite搭建而成[8-10]。SQLite是一個進程內(nèi)的庫，實現(xiàn)了自給自足的、無服務(wù)器的、零配置的數(shù)據(jù)庫引擎。相較于Mysql等數(shù)據(jù)庫，SQLite是非常小的，是輕量級的，完全配置時小于400KB，省略可選功能配置時小于250KB。SQLite支持Windows、Linux等主流操作系統(tǒng)，能夠跟很多程序語言相結(jié)合。

曲線數(shù)值庫的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)如下所示(其中，PICNO為圖編號，DES為曲線描述，X為橫坐標，Y為縱坐標)：

CREATE TABLE [StructuralStabilityBook] (

[id] INTEGER NOT NULL PRIMARY KEY AUTOINCREMENT,

[X] DOUBLE,

[Y] DOUBLE,

[PICNO] VARCHAR(30),

[DES] VARCHAR(100));

曲線數(shù)值庫的查詢接口程序?qū)崿F(xiàn)如下所示(其中，ChartUnit為曲線上點坐標類，成員包含編號id，橫坐標X，縱坐標Y)：

QList dataExtractSqlite::getData(double X,QString PICNO,QString DES){

QByteArray qb;

qb = QString("select t.id,t.X,t.Y from StructuralStabilityBook t where t.X <= %1 and t.PICNO = '%2' and t.DES = '%3' order by t.X desc").arg(X).arg(PICNO).arg(DES).toUtf8();

QList chartUnitList;

sqlite3_stmt* m_pStmt;

sqlite3_prepare_v2(m_pDb,qb,-1,&m_pStmt,0);

while(sqlite_step(m_pStmt) == SQLITE_ROW){

int id = sqlite3_column_int(m_pStmt,0);

double X = sqlite3_column_double(m_pStmt,1);

double Y = sqlite3_column_double(m_pStmt,2);

ChartUnit tempChart(id,X,Y);

charUnitList.append(tempChart);

}

if(m_pStmt){

sqlite3_finalize(m_pStmt);

}

return charUnitList;

}

曲線數(shù)值庫的實現(xiàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 曲線數(shù)值庫實現(xiàn)圖

3.3 適配HAJIF接口實現(xiàn)

金屬結(jié)構(gòu)強度校核模塊之所以要依托HAJIF平臺搭建，原因在于通過利用HAJIF的對外開放接口可以減少用戶輸入，簡化強度校核流程，多樣化展示強度校核結(jié)果。該模塊所利用的HAJIF接口主要有以下幾個：

(1)組數(shù)據(jù)獲取與組更新接口

金屬結(jié)構(gòu)強度校核模塊以組數(shù)據(jù)為基本單元進行校核，HAJIF具有完備的組創(chuàng)建功能，可以按照結(jié)構(gòu)部位分組、屬性分組、材料分組、拓撲種類分組，同時支持組布爾操作。金屬結(jié)構(gòu)強度校核模塊初始化時會獲取HAJIF系統(tǒng)中針對有限元模型已創(chuàng)建的組信息，并在模塊可選組中顯示供用戶選擇。當HAJIF系統(tǒng)有新組創(chuàng)建或刪除某組數(shù)據(jù)后，會給強度校核模塊發(fā)送更新信號。該模塊接收到此更新信號后，會重新獲取HAJIF系統(tǒng)中最新組的相關(guān)數(shù)據(jù)，達到數(shù)據(jù)更新的目的。

強度校核模塊初始化組數(shù)據(jù)的接口實現(xiàn)如下：

void sCheckDlg::initGroupInfo(){

FeGroup *pGroup = m_femProject->getGroupSet()->getFirstGroup();

//m_femProject為HAJIF系統(tǒng)中有限元模型存儲對象，利用該對象的公共接口可以獲取第一個組信息

while(pGroup){

string strName = pGroup->getName();

//獲取組名稱

m_availableGroupCmbox->addItem(QString::fromStdString(strName));

//將組數(shù)據(jù)添加至可用組列表

pGroup = m_femProject->getGroupSet()->getNextGroup();

//獲取下一個組數(shù)據(jù)

}

}

組數(shù)據(jù)更新的信號槽定義及槽實現(xiàn)如下：

connect(m_modelTree, SIGNAL(updateschkDlgUpdateGroup()),this,SLOT(oncheckDlgUpdateGroupInfo()));

//HAJIF系統(tǒng)更新組數(shù)據(jù)后，會由m_modelTree對象發(fā)出updateschkDlgUpdateGroup信號

void MainWindow::oncheckDlgUpdateGroupInfo(){

pCheckDlg->onUpdateGroupInfo();

//金屬結(jié)構(gòu)強度校核模塊依托于HAJIF系統(tǒng)，所以HAJIF可以調(diào)用強度校核模塊對象pCheckDlg完成組數(shù)據(jù)更新。

}

(2)材料數(shù)據(jù)提取與更新接口

強度校核中，需要填寫的材料參數(shù)較多，且不同的破壞模式所需要的材料參數(shù)不同，手動填寫會使得強度校核流程冗余且耗時。鑒于此，強度校核模塊利用HAJIF系統(tǒng)完成材料數(shù)據(jù)獲取與材料數(shù)據(jù)更新。材料信息提取如圖7所示，用戶選擇從當前組獲取材料數(shù)據(jù)即可完成材料信息提取。材料數(shù)據(jù)的更新與組數(shù)據(jù)一樣，都是通過信息槽機制實現(xiàn)。

圖7 材料提取

(3)后置顯示接口

HAJIF系統(tǒng)具有云圖、變形圖、動畫等多種后置顯示功能。為了完成強度校核裕度結(jié)果的多樣化展示，強度校核模塊通過調(diào)用HAJIF后置顯示接口完成裕度圖形化顯示[11-14]。裕度結(jié)果數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct tagScalarData

{

int entityId; //單元號

float scalar; //裕度值

} ScalarData;

強度校核模塊使用如下信號槽觸發(fā)裕度顯示功能：

connect(pCheckDlg,SIGNAL(showYuduElmIds(list)),this,SLOT(showCheckDlgYudu(list)));

當HAJIF系統(tǒng)接收到強度校核模塊發(fā)出的裕度顯示信號后，會解析裕度結(jié)果數(shù)據(jù)，調(diào)用其后置顯示功能完成裕度顯示。圖8為某案例裕度結(jié)果數(shù)據(jù)顯示圖。

圖8 裕度顯示圖

4 軟件驗證

為了驗證強度校核模塊設(shè)計的相關(guān)目標，利用某型飛機機身壁板作為校核對象進行蒙皮拉伸校核測試。利用HAJIF系統(tǒng)分組功能對該壁板按部位建組后，對所有校核組只需設(shè)置一次校核參數(shù)即可完成多個校核組的批量計算，校核結(jié)果裕度值圖形化顯示如圖9所示，多校核組批量校核如圖10所示。

圖9 某型飛機機身強度校核結(jié)果

圖10 多校核組批量校核

同時，在強度校核模塊的結(jié)果顯示區(qū)對校核對象其他校核結(jié)果信息也做了展示。結(jié)果表明，重新設(shè)計的強度校核模塊有效減少了用戶輸入?yún)?shù)，批量化的計算功能提高了用戶工作效率，達到了系統(tǒng)模塊預(yù)期的設(shè)計目標。

5 結(jié)束語

本文基于HAJIF系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)了航空典型金屬結(jié)構(gòu)強度校核前后置模塊，該系統(tǒng)利用HAJIF對外接口，優(yōu)化了強度校核流程，豐富了強度校核展現(xiàn)形式，并基于json的數(shù)據(jù)交互模塊與基于SQLite的曲線數(shù)值庫的構(gòu)建保障了優(yōu)化后流程的順利執(zhí)行。模塊測試結(jié)果表明，該模塊的實現(xiàn)改變了傳統(tǒng)強度校核流程，有效提升了強度設(shè)計與分析人員的工作效率，具有一定的工程實用價值。