摘要：首先介紹了材料數(shù)據(jù)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(gòu)設(shè)計方法，然后闡述了登錄驗證、系統(tǒng)管理、屬性配置、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換6大模塊的構(gòu)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(yīng)用，證明該系統(tǒng)能夠?qū)Σ牧蠑?shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)、有效管理。目前該系統(tǒng)已在航空院所部署并運行良好。

關(guān)鍵詞：航空材料"材料數(shù)據(jù)管理"材料性能數(shù)據(jù)"數(shù)據(jù)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"introducesnbsp;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(jì)80年代以來，數(shù)據(jù)庫技術(shù)在航空材料選材、設(shè)計及加工中得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外已相繼建立了不同類型的材料數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫主要分為通用的商業(yè)材料數(shù)據(jù)庫和針對特定項目建立的專用數(shù)據(jù)庫。其中，典型的商業(yè)材料數(shù)據(jù)庫有GRANT"MI公司的材料數(shù)據(jù)庫、MaterialCenter數(shù)據(jù)庫等。GRANT"MI數(shù)據(jù)庫能實現(xiàn)從材料圖譜、測試數(shù)據(jù)到設(shè)計用數(shù)據(jù)的全流程管理。該數(shù)據(jù)庫以鏈接的形式對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)全流程的追蹤查詢。對設(shè)計用數(shù)據(jù)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(jù)庫有北京航空材料研究院開發(fā)的“航空材料性能數(shù)據(jù)庫”[1]、上海大學(xué)建立的“材料基因組工程專用數(shù)據(jù)庫”[2]、大連理工大學(xué)建立的“復(fù)合材料典型構(gòu)建加工工藝數(shù)據(jù)庫”[3]、西安工業(yè)大學(xué)建立的機械加工材料數(shù)據(jù)庫[4]、C63200鋁青銅合金數(shù)據(jù)庫[5]等。這些數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前尚未形成成熟的數(shù)據(jù)管理方法與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并且存在數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)據(jù)分析軟件集成等方面的問題[6]。因此，需要對材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計和開發(fā)，探索建立統(tǒng)一的材料數(shù)據(jù)存儲格式和標(biāo)準(zhǔn)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。

1航空材料性能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計

1.1"整體設(shè)計思路

本文介紹的航空材料性能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，綜合考慮技術(shù)選型、系統(tǒng)架構(gòu)、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(jù)存儲出發(fā)，選擇高效且能滿足復(fù)雜查詢需求的數(shù)據(jù)庫，后端服務(wù)采用穩(wěn)定成熟、社區(qū)活躍的技術(shù)棧，前端界面利用現(xiàn)代化前端框架構(gòu)建，確保用戶交互友好、響應(yīng)迅速；架構(gòu)設(shè)計方面，遵循分層原則，將系統(tǒng)劃分為展示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。展示層負(fù)責(zé)用戶界面的呈現(xiàn)及交互，業(yè)務(wù)邏輯層處理核心業(yè)務(wù)規(guī)則與流程，而數(shù)據(jù)訪問層對接數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的增刪改查操作。功能模塊設(shè)計方面，材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可管理材料研究過程中的材料測試數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，以及設(shè)計許用數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)信息，可對材料基本信息及各類性能進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。包含但不限于材料種類/牌號、原材料/測試供應(yīng)商、材料性能、工藝條件、測試條件等材料數(shù)據(jù)的管理和展示。通過建立統(tǒng)一、規(guī)范的材料數(shù)據(jù)管理體系，建立與收集數(shù)據(jù)模板適配的數(shù)據(jù)錄入與轉(zhuǎn)換接口，實現(xiàn)收集數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與管理，完成與企業(yè)門戶網(wǎng)站的集成應(yīng)用。

1.2系統(tǒng)選型

系統(tǒng)采用SpringMVC架構(gòu)，其整體技術(shù)棧如圖1所示。

在應(yīng)用層設(shè)計上，整合運用了layui、EasyUI、HTML5及ECharts等多元化開源技術(shù)棧。layui以其簡潔優(yōu)雅的設(shè)計風(fēng)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(wǎng)頁UI組件，極大簡化了界面開發(fā)流程；HTML5作為新一代網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)百度公司開源的數(shù)據(jù)可視化解決方案，為系統(tǒng)帶來了強大且豐富的數(shù)據(jù)展示功能，通過定制化的圖表展現(xiàn)形式，進(jìn)一步增強了信息傳遞的有效性和直觀性。

在接口層設(shè)計上，采用RestAPI為應(yīng)用層提供服務(wù)，并使用Json作為數(shù)據(jù)交換的格式。RestAPI提供了一種靈活、輕量級的應(yīng)用程序集成方式，并已成為連接微服務(wù)架構(gòu)中組件的最常用方法。RestAPI通過HTTP請求進(jìn)行通信，以便執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)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(wù)層設(shè)計上，開發(fā)采用了Spring技術(shù)棧，該技術(shù)棧以其高度模塊化、靈活擴展和卓越的事務(wù)管理能力而聞名于世，是Java企業(yè)級應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)之一。采用Spring框架能夠?qū)崿F(xiàn)高效穩(wěn)定的業(yè)務(wù)邏輯處理，在構(gòu)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(fēng)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(wù)的框架；Swagge作為API描述規(guī)范；Eureka提供服務(wù)注冊功能；OpenFeign實現(xiàn)負(fù)載均衡和服務(wù)調(diào)用的組件；SpringSecurity提供身份認(rèn)證、授權(quán)、攻擊防護(hù)等服務(wù)；SpringData可簡化數(shù)據(jù)庫訪問，使數(shù)據(jù)庫的訪問變得方便快捷。

在數(shù)據(jù)庫層設(shè)計上，系統(tǒng)選用了達(dá)夢數(shù)據(jù)庫[7]和Elasticsearch（ES）。達(dá)夢數(shù)據(jù)庫作為國內(nèi)領(lǐng)先的國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，滿足了我國信息化建設(shè)對數(shù)據(jù)安全和可控性的嚴(yán)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(jù)檢索與分析能力，極大地提高了業(yè)務(wù)效率和服務(wù)質(zhì)量。

1.3系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)分為資源層、業(yè)務(wù)構(gòu)建層、應(yīng)用層三層，整體架構(gòu)如圖2所示。資源層為支撐系統(tǒng)運行需要的數(shù)據(jù)資源、軟件資源、算法資源、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口等部分內(nèi)容；業(yè)務(wù)構(gòu)建層為系統(tǒng)主要功能構(gòu)建層，包含屬性配置、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)應(yīng)用等部分；應(yīng)用層還開發(fā)了與ANSYS、ABAQUS等設(shè)計仿真軟件的導(dǎo)入導(dǎo)出卡片接口插件，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取和應(yīng)用。系統(tǒng)提供統(tǒng)一的用戶、角色、權(quán)限、系統(tǒng)日志、備份與恢復(fù)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(jù)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(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換六大功能模塊構(gòu)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(jìn)行驗證，并且能夠獲取用戶的操作權(quán)限（角色信息）。通過賦予用戶不同的操作權(quán)限，支持對不同部門、級別的角色進(jìn)行相應(yīng)的訪問權(quán)限配置。

2.2"系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理功能包含角色權(quán)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(jù)用戶部門和職能設(shè)置用戶賬號部門、賦予包含特定功能權(quán)限的角色，完成用戶賬號的創(chuàng)建；管理員還可以根據(jù)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(dǎo)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(jù)千差萬別，其數(shù)據(jù)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(jù)類型有文本、數(shù)值、點函數(shù)、方程和表達(dá)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(xué)性能基本都包含靜力和疲勞等，這也帶來了數(shù)據(jù)存儲的復(fù)雜性，提高了設(shè)計的難度。為解決上述問題，本系統(tǒng)設(shè)計了單位管理、常量管理、離散類型管理、參數(shù)管理、表達(dá)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(diào)材料之間的共性，表達(dá)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(jù)模板的定制化，并用分類管理來集中管理相關(guān)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(jù)進(jìn)行精確的匹配。圖5為屬性配置界面。

2.4"材料數(shù)據(jù)管理

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

材料數(shù)據(jù)管理模塊可進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)模板配置、文件夾配置、數(shù)據(jù)記錄配置、模板導(dǎo)入導(dǎo)出、曲線繪制等。數(shù)據(jù)檢索包括基于關(guān)鍵詞的快速檢索、基于材料屬性和關(guān)鍵詞的高級檢索兩種檢索方式。基于關(guān)鍵詞的快速檢索可使用戶直接在頁面內(nèi)輸入關(guān)鍵詞進(jìn)行材料數(shù)據(jù)的檢索，基于材料屬性和關(guān)鍵詞的高級檢索可針對某個或多個項目名稱進(jìn)行檢索，并獲取對應(yīng)項目中的相關(guān)材料數(shù)據(jù)。基于材料屬性和關(guān)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(nèi)的材料時，檢索條件可設(shè)置為該屬性值大于、等于、小于、介于XX與XX之間等。

數(shù)據(jù)模板配置和文件夾配置可用來對材料進(jìn)行分類，該功能能夠按照材料的類別、牌號進(jìn)行分類，也可按照材料性能進(jìn)行分類。數(shù)據(jù)記錄配置可對數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行編輯、查詢、刪除、導(dǎo)入導(dǎo)出等操作，通常一組實驗作為一條數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行存儲和管理。

通過對數(shù)據(jù)記錄的配置，可設(shè)置數(shù)據(jù)庫的導(dǎo)航樹?？晒芾淼暮娇詹牧闲阅軘?shù)據(jù)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(jù)為例，其導(dǎo)航樹界面如圖7所示。

模板導(dǎo)入導(dǎo)出功能可將配置好的數(shù)據(jù)記錄EXCEL模板導(dǎo)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(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出操作，也可對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行批導(dǎo)入。其數(shù)據(jù)導(dǎo)入界面如圖8所示。

曲線圖中的用戶偏好設(shè)置可對錄入的曲線顯示為點、線、點線全部顯示，可對曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)置操作，還實現(xiàn)了對錄入的曲線設(shè)置為X、Y軸對數(shù)坐標(biāo)顯示。其界面如圖9所示。

2.5"數(shù)據(jù)統(tǒng)計

為實現(xiàn)材料數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用，充分挖掘材料數(shù)據(jù)的價值，數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能可通過對實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，逐個獲取材料各項性能的實驗數(shù)據(jù)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(zhǔn)值、B基準(zhǔn)值、試樣數(shù)量以及材料批數(shù)的統(tǒng)計。數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能還能夠?qū)⒉牧系亩囗椥阅軘?shù)據(jù)匯總，形成材料的性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)，供設(shè)計人員使用。

2.6"數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板可解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件與其他設(shè)計分析軟件數(shù)據(jù)文件格式有所差異的問題。該模塊提供面向設(shè)計分析軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，可通過靈活配置的方式設(shè)置不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板格式，方便用戶導(dǎo)出如ANSYS、ABAQUS等計算分析軟件所需的數(shù)據(jù)文件。

3"典型曲線錄入功能配置方法

• 以某合金光滑拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能曲線數(shù)據(jù)為例，屬性配置過程如下：首先進(jìn)行單位配置，對于應(yīng)力應(yīng)變曲線其應(yīng)力單位為MPa，應(yīng)變曲線為mm/mm；其次進(jìn)行參數(shù)配置，在參數(shù)配置中設(shè)置“應(yīng)力”為曲線參數(shù)；再次在屬性管理中進(jìn)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(jīng)配置好的應(yīng)力參數(shù)；然后進(jìn)行模板配置，設(shè)置數(shù)據(jù)記錄的顯示布局；最后進(jìn)行新建數(shù)據(jù)庫，選擇已經(jīng)配置好的模板，并進(jìn)行數(shù)據(jù)授權(quán)。

屬性配置完成后，在“材料管理界面”可通過文件夾設(shè)置材料類別、牌號、試驗編號等信息，并下載模板進(jìn)行曲線錄入，錄入后的曲線界面如圖10所示。用戶可根據(jù)角色權(quán)限對其進(jìn)行查詢或編輯操作。

4"結(jié)論

本文介紹了航空材料性能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)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(jù)管理系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計方面，本系統(tǒng)全技術(shù)棧層次清晰，并對核心技術(shù)自主創(chuàng)新能力高度重視，既確保了系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性和安全性，又展現(xiàn)了在技術(shù)研發(fā)上的獨立創(chuàng)新能力和對關(guān)鍵技術(shù)的掌握；在功能設(shè)計方面，六大功能模塊能夠滿足航空材料研究和設(shè)計人員對數(shù)據(jù)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(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計和分析，數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出模板可在各獨立的數(shù)據(jù)庫之間傳遞數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能能夠與計算分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，加快材料設(shè)計分析效率。該系統(tǒng)已在行業(yè)內(nèi)單位投入使用，目前運行良好，后續(xù)可不斷補充數(shù)據(jù)并完善功能，除航空院所外，也可推廣到其他各材料設(shè)計、制造和研究單位，為輔助材料設(shè)計、研發(fā)提供軟件支撐。

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