柴東波，楊東濤，郭曉冬

(中國飛機強度研究所 全尺寸飛機結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點試驗室，陜西 西安 710065)

1 引 言

結(jié)構(gòu)的疲勞試驗作為飛機研制過程中重要的地面驗證試驗，對確定飛機結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和確定飛機結(jié)構(gòu)的檢修周期具有十分重要的意義，也是目前確定飛機結(jié)構(gòu)安全使用壽命的重要手段[1]。試驗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，再通過一套加載系統(tǒng)按照載荷譜將疲勞交變載荷施加在飛機結(jié)構(gòu)上，模擬飛機在整個服役期內(nèi)可能遇到的各種空中、地面使用情況[2]。飛機疲勞試驗至少完成2.5倍以上使用壽命試驗，通常試驗周期為5～10年[3]。

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

目前，對疲勞試驗數(shù)據(jù)的管理采用文本格式存儲，基于EXCEL進行數(shù)據(jù)分析，效率低下，難以實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)整個疲勞試驗周期的分析。安剛[4-7]等人提出了多種異常疲勞試驗數(shù)據(jù)的判斷及分析方法，但是缺少對試驗數(shù)據(jù)的管理研究。

因此，本文采用C#語言作為開發(fā)語言、SQL Server 2008 R2作為后臺數(shù)據(jù)庫開發(fā)了一款飛機疲勞試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件，可以有效地實現(xiàn)對疲勞試驗數(shù)據(jù)的動態(tài)管理和基本的數(shù)據(jù)分析，大大提高了疲勞試驗數(shù)據(jù)分析的效率。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

結(jié)構(gòu)疲勞試驗是一項長周期的項目，試驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)種類相對單一(主要為應變、位移數(shù)據(jù))，但數(shù)據(jù)量特別大；應變和位移測量點經(jīng)常隨著試驗的進行不斷地增減，大大增加了對試驗數(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，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，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速插入和搜索功能。本文采用SQL Server 2008 R2，將試驗數(shù)據(jù)與測量點編號分別管理的方法，實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)的存儲管理。

2.2 試驗數(shù)據(jù)快速分析

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

3 系統(tǒng)分析與設(shè)計

3.1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于SQL Server 2008的試驗數(shù)據(jù)導入、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)導出等功能。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

疲勞試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)用于對試驗數(shù)據(jù)進行管理，主要包括數(shù)據(jù)入庫模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

(1)數(shù)據(jù)入庫模塊。試驗人員根據(jù)型號試驗連接不同的數(shù)據(jù)庫，對試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)刪除工作。同時，為了方便對多個試驗數(shù)據(jù)文件進行操作，系統(tǒng)需要具備批量導入功能。在數(shù)據(jù)導入過程中，需要對執(zhí)行過程進行提示。

(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)點標記、歷程曲線繪制、異常試驗數(shù)據(jù)定位、多點對比和數(shù)據(jù)輸出等功能。

數(shù)據(jù)搜索：試驗人員根據(jù)型號試驗連接不同的數(shù)據(jù)庫，對試驗數(shù)據(jù)進行搜索，并以可視化的曲線圖形形式呈現(xiàn)，方便試驗人員快速分析試驗數(shù)據(jù)的變化趨勢。

數(shù)據(jù)篩選：試驗人員根據(jù)已搜索的試驗數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)的平均值或標準差進行數(shù)據(jù)篩選，快速定位異常試驗數(shù)據(jù)。

異常數(shù)據(jù)點標記：基于初步分析結(jié)果，對異常數(shù)據(jù)點進行標記，為異常數(shù)據(jù)的重點分析奠定基礎(chǔ)。

歷程曲線繪制：試驗人員可以繪制試驗數(shù)據(jù)的歷程曲線，觀察試驗數(shù)據(jù)在整個試驗過程的變化趨勢，定位異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的周期和起落。

異常試驗數(shù)據(jù)定位：通過鼠標在曲線圖上的移動，顯示當前測量點對應的周期、起落、行號和測量值，幫助數(shù)據(jù)分析人員定位異常試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)的起始位置。

多點對比：試驗人員可以通過單點繪制功能，將多個測量點的曲線在一張曲線圖中對比顯示，方便觀察同一部位或?qū)ΨQ部位多個測量點試驗數(shù)據(jù)的變化趨勢，方便對試驗件是否存在損傷進行判斷。

數(shù)據(jù)輸出：試驗人員可以將已搜索的試驗數(shù)據(jù)以文本形式保存在本地計算機，方便后期數(shù)據(jù)重點分析或報告編寫。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

根據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計，飛機疲勞試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)環(huán)境采用SQL Server 2008 R2，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中包含3類數(shù)據(jù)表，包括測量點編號表、日志記錄表和試驗數(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)單張試驗數(shù)據(jù)表的設(shè)計最大測量點編號數(shù)量為1000個，試驗數(shù)據(jù)表數(shù)量不設(shè)上限。

(1)測量點編號表(Table_sensor)，主要存儲數(shù)據(jù)庫中已存在的測量點編號及對應的試驗數(shù)據(jù)表名稱，如表1所示。

表1 測量點編號表

(2)試驗數(shù)據(jù)表(0、1……)，主要存儲試驗數(shù)據(jù)信息，用于實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的快速查詢，是整個系統(tǒng)的核心，如表2所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)表

(3)日志記錄表(Table_log)，記錄對文件操作的記錄，用于檢測數(shù)據(jù)文件是否已經(jīng)完成入庫以及入庫的時間，如表3所示。

表3 日志記錄表

4.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.2.1 數(shù)據(jù)庫連接實現(xiàn)

運行系統(tǒng)軟件的同目錄下的setting.config文件，存儲要連接的服務器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

軟件運行，根據(jù)setting.config文件的配置連接服務器。如果setting.config文件不存在，則根據(jù)默認設(shè)置連接本地SQLserver數(shù)據(jù)庫，同時生成setting.config文件。服務器連接成功后，軟件會自動搜索服務器上的數(shù)據(jù)庫，連接要操作的數(shù)據(jù)庫，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫連接

4.2.2 入庫模塊實現(xiàn)

入庫模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件由文本文件(數(shù)據(jù)格式如圖3所示)導入數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)的動態(tài)存儲功能，為后續(xù)試驗數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。

圖3 數(shù)據(jù)文件格式

入庫模塊依據(jù)下列流程實現(xiàn)，具體如圖4所示。

圖4 入庫模塊實現(xiàn)流程

(1)連接數(shù)據(jù)庫；

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

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)感官評價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；

(4)判斷是否存在新增測量點；

(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；

(6)創(chuàng)建數(shù)據(jù)集；

(7)利用試驗數(shù)據(jù)填充數(shù)據(jù)集；

(8)將數(shù)據(jù)集寫入數(shù)據(jù)庫；

(9)插入操作日志。

圖5 入庫模塊軟件界面

4.2.3 數(shù)據(jù)分析模塊實現(xiàn)

試驗人員可以利用系統(tǒng)對入庫試驗數(shù)據(jù)進行搜索、篩選，系統(tǒng)自動計算搜索測量點試驗數(shù)據(jù)的平均值、標準差等信息，并繪制曲線圖。試驗人員通過觀察曲線圖，分析試驗數(shù)據(jù)趨勢，判斷試驗數(shù)據(jù)是否異常，進而確定試驗件是否存在損傷，實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)的損傷檢測。

系統(tǒng)分析依據(jù)下列流程實現(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；

(2)導入需要分析的測量點號(默認為數(shù)據(jù)庫中所有測量點，也可以導入失效測量點號)；

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

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

(5)觀察各測量點的曲線圖，分析試驗數(shù)據(jù)，標記異常數(shù)據(jù)測量點編號、異常數(shù)據(jù)的開始周期、起落和行號；

(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 多點對比界面

圖9 測量點歷程曲線

5 結(jié) 論

飛機疲勞試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基于飛機疲勞試驗數(shù)據(jù)分析的需求開發(fā)的一套數(shù)據(jù)管理及分析軟件。結(jié)構(gòu)疲勞試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)大大提高了疲勞試驗數(shù)據(jù)處理與分析的效率，基于異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的部位和時間進行分析，對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的損傷檢測具有很好的指導意義。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在多個全機和大部件的疲勞試驗中成功應用。