树脂基复合材料数据库及性能管理研究

/航天材料及工艺研究所

先进树脂基复合材料因其比强度和比模量高、可设计性强等优点，在航空航天领域的应用范围和用量不断扩大，对航天产品的轻量化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用，其用量也成为衡量武器装备先进性的重要标志。目前，先进树脂基复合材料已逐渐取代铝合金等材料，广泛应用于制造导弹、运载火箭以及卫星等产品的结构部件。

复合材料在航天领域广泛应用的同时，产生了量大、面广而凌乱的信息，对这类分散的信息建立数据库，进行统一的管理、开发和应用非常必要。但是“量身定做”的复合材料因数据封闭不能共享和缺乏有效管理，成为新材料在工业领域发挥更大优势的最大阻碍。西方国家推进启动“材料基因组计划”，其核心意义也在于材料数据共享与有效管理，从而大大缩短新材料应用的研发周期与费用。目前，针对碳纤维复合材料硬度高、强度大，在机械加工过程中极易产生毛刺、分层、撕裂等难以加工的特点，已经研制和开发出先进适用的碳纤维复合材料加工专用刀具及高效加工工艺数据库。随着陶瓷基复合材料制备工艺的逐步完善和应用领域的不断扩展，研究者利用现代数据库技术实现了材料合成与制备、结构与成分、性质、效能等诸多信息的规范和管理。

树脂基复合材料更多作为一种结构复合材料，与功能复合材料相比其种类更繁多、应用更广泛，尽管材料工作者的研究取得了很多重大成果，但还未对树脂基复合材料设计从基体、增强材料到组织性能分析进行系统化的总结，不能为复合材料的研制、产品设计提供科学有效的支撑。数据库是一项现代化的信息工程，具备可扩充、可浓缩、可传递、可反复使用、可实现共享等诸多特点。作为国防科技工业树脂基结构复合材料研究应用中心，航天材料及工艺研究所结构复合材料中心依托预研课题设计开发了一个树脂基复合材料数据库，可作为知识共享和管理的应用案例。该数据库记录了从原材料采购、材料制备、试样加工、性能试验到型号产品整个研究过程中所获取的完整信息，实现了信息的可靠、高效存储和访问，也保证了研究信息的可追溯性，是复合材料研制过程中数据管理及规范、质量管理方面强有力的工具。数据库同时具备信息再加工能力，使其不仅具有材料手册的功能，更重要的是能为材料设计优化服务，为设计仿真提供一个科学有效的数据支撑。

一、复合材料数据特点分析

“复合材料是可设计的材料”这个特点让客户对其“爱恨交加”，爱它的高性能，恨它的多变和不确定。由于经验和数据不足，对复合材料的使用很谨慎，同时不得不付出大量时间和金钱进行试验，以鉴定和建立数据库。

复合材料性能表征具有很多新特点，主要体现在：复合材料包括基体和增强材料，性能表征必须从最基础的原材料开始；复合材料有很多特殊的性能表征，特别是湿热和抗冲击性能；复合材料的结构与材料同步形成，材料和工艺的变化对材料或结构性能具有重要影响；复合材料通常采用积木式的试验验证，性能表征也必须从组分、单层级、层压板级开始；复合材料性能数据必须包括材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性等信息；复合材料性能表征必须标准化，包括同一复合材料体系试验结果的可追踪性、不同厚度的归一化处理、异常数据的剔除原则、数据统计处理的方法等内容；复合材料性能单个批次的基础性能稳定性和代表性不足，需在树脂体系及预浸料批量稳定制备的基础上对材料性能进行批次内、批次间的稳定性考察，从而有效地获取材料许用值。

二、数据库平台搭建和模块设计

树脂基复合材料数据库是一个对工程材料进行综合性管理、应用、存储的系统，能够对各类工程材料及其相关内容进行有效管理。针对航天复合材料的业务模型，数据库采用材料—知识—产品模型设计，以知识管理为支撑，链接材料应用的源头和末端，具体模型如图1所示。

数据库平台总体模型及架构如图2所示，软件主要包括用户层、界面层、功能层、组件层、数据层和通讯层6个层次。系统管理员、系统安全员、系统审计员、材料管理员和普通用户5种不同权限的人员根据操作需要，通过界面层调用功能层的各项应用进行工作，各项应用操作通过组件层实现对数据层的通讯与调用，计算机及其网络软硬件平台作为软件的基础部分进行软件支持。

图1 数据库数据模型图

根据应用特点与需要，数据库包括材料模块、工艺模块、知识管理模块、辅助应用模块和系统模块五大主模块，各个主模块中又包含若干个子模块，某些子模块还包括一些分模块，各模块关系组成如图3所示。

三、数据库应用及管理功能研究

复合材料数据库中存有大量的材料组分、材料试验、工艺信息等，对这些数据通过模块化的管理是进行高效有序的数据管理的有效途径。笔者通过研究航天复合材料企业的材料/工艺数据类型和特点，设计和制定了数据库的各个功能模块。

1.材料模块

材料模块主要完成对所有材料数据的全面管理，是整个数据管理系统内容最繁多、关系最复杂的部分，也是系统的基础和核心。不同类型材料的对应信息各不相同，但是其内在关联性基本一致，其底层的逻辑关系如图4所示。

图2 数据库平台总体模型及架构

通过树形管理部分可以分门别类将各类材料放置在树形结构上，使用人员能够在不同的层次中找到所关心的材料名称；通过材料名称可以关联到材料的基础信息模块，获取到材料的概述等基本参数；同时，也可以关联到材料的各种性能指标，而性能指标可以来源于手册、标准，也可以来源于测试。来源于手册、标准的，可以直接链接到主编、出版商等内容，如果有原文，还可以打开进行浏览；来源于测试的，则可以关联到试验信息管理模块，从中找到试验背景、原始数据和试验结果的处理方法等，同时可以获知试验条件、试样状况、试验设备等具体信息。

根据复合材料成型特点，材料树主要分为原材料、树脂体系、预浸料及复合材料四大部分，各部分的相互关系如图5所示。

在材料树上可以看到权限内的所有材料信息，材料树可以自定义。在基础信息页面设置了“配置”按钮，可以根据材料的特性个性化定制材料记录的格式，以满足不同材料记录信息差异的要求。可以定义文本、文件、图片、自定义下拉列表、关联项等多种格式，还可以灵活选择信息是否直接显示在列表页。根据个性化的配置，完成材料信息的逐条录入。

图3 数据库模块组成

图4 材料模块底层逻辑关系图

图5 材料树组成关系图

材料试验管理。试验是研究过程，是试验数据的重要来源，试验管理是研究过程的记录和处理。在数据库设计当中，通过在试验模块（复验数据）中设置试验背景（批次、原材料牌号及批次、成型方式、固化工艺等）信息和采用“逐级关联”的数据录入方式，实现试验过程的完全记录。一方面，保证了数据的可追溯性，有利于试验数据的有效利用和分析；另一方面，材料研制过程中各个环节的完整记录，对于材料体系的质量控制和型号研制提供了强有力的支撑，一旦发现问题，可以快速找到问题根源。

材料性能管理。材料性能是试验的结果，是研究人员的关注重点。数据库中，性能页面采用仿Excel的表格展示方式，同样拥有其部分功能，可以直接从Excel复制粘贴，复杂数据表格，研究人员可以自由定义。复合材料性能可分为“力学性能”、“无损控伤”等，其中“力学性能”又可以进一步细分为“拉伸性能”、“压缩性能”等，性能数据可以逐条录入，也可以从Excel批量导入。为方便研究人员的数据录入，数据库设计了多种模板定制功能，主要包括“性能模板”和“试验模板”两大类。“性能模板”中又可以定制包括性能大类、性能分类、性能名称、性能单位、数据类型等多种性能相关的模板，以满足快速录入的要求和所有数据结构的数据展示。

材料审签管理。材料的入库、修改等操作需要进行严格的审签流程才能完成，这些操作可以通过审签流程进行规范操作，通过自定义审签流程并自定义审签人等定制整个流程，操作人可以发起流程，进入流程的材料必须通过流程才能完成入库或修改等操作。针对不同级别的材料可以采用不同级别的审签流程，审签流程可以通过站内信的方式进行全程跟踪，有效地保证了数据存储的有序性和安全性。

2.工艺模块

该模块以常见复合材料结构形式（蒙皮—桁条、蒙皮—网格、蜂窝夹层、工形截面梁类等）为主要分类，模块管理工艺结构件信息包括概述、数据、附件等，根据存储管理信息的不同分为工艺概述管理、工艺数据管理、工艺附件管理3个子模块。

工艺概述管理。该模块用来存储工艺结构件的概述信息，可以定制存储项及存储单元。概述中可以定制多个存储单元，存储单元可以定制多个存储项，每个存储项可以定义为文本、文档等多种存储格式。系统的查询检索应用工具可以从存储项的内容进行查询。具体定制内容包括存储单元，存储项等，其中存储单元可以按照产品特点进行定义，如背景信息、几何形状、材料方案、模具方案、成型工艺、性能评价、质量案例等；存储项可以按照研究单位的使用习惯进行定义，背景信息内的存储项如任务来源、任务编号、产品图号、试验周期等，几何形状内的存储项如产品三维图形、技术条件、铺层条件、产品尺寸等，材料方案内的存储项如树脂体系、纤维材料、预浸料体系、胶粘剂、泡沫、蜂窝等，模具方案内的存储项如模具材料、模具结构、模具三维数据，成型工艺内的存储项如铺层工艺、包覆工艺、吸胶工艺、固化工艺、无损检测，性能评价内的存储项如随炉试样性能、考核试验数据、考核结论等，质量案例内的存储项如问题描述、原因分析、质量复现、解决措施、经验共享等。

工艺数据管理。该模块用来存储工艺结构件的性能数据，采用材料性能模块的存储方法，按照传统的Excel方式进行展现，可以通过复制Excel直接进行录入，并可以在表格内使用单位转换、图形绘制等辅助工具。

工艺附件管理。该模块用来管理工艺结构件的附件，采用文件服务器方式管理附件，附件通过该模块上传到服务器中，在服务器中采用统一模式管理，并在数据库中统一管理其文件名，所有文件可以通过查询检索模块进行查询。工艺附件子模块用来管理工艺中产生的所有文档类数据，此类数据可以标记标题，并添加备注信息，将附件跟标题备注相结合进行存储，以方便检索使用。在管理时对规范命名的文档进行统一管理，可以按照文档的名称进行模糊查询。附件类型包括但不限于txt、Word、Excel、图片、附件、视频、CAD类文件、ANSYS文件等，不仅可以存储文件在线查询，还可以自动识别文件信息，在本地已安装相应软件的情况下使用软件打开，在识别不到的情况下可以进行手动指定软件打开，或者直接下载到本地使用。

3.知识管理模块

知识管理模块为材料和工艺模块提供基础材料和工艺知识支撑，涵盖性能测试标准、产品规范等标准信息，也包括整个研究过程中形成的专利、论文、技术条件和产品规范等知识成果，研究者还可以实时记录项目研制过程中的研究心得和项目经验，为知识的广泛交流和新知识的创造提供良好条件。该模块数据存储同样采取灵活的形式，根据需求自由定义，可以是文本、文档、图片，甚至是音频、视频等文件。

4.辅助应用模块

数据库提供了多种便于系统应用、增强系统性能的辅助功能，以确保系统的可用性，借助计算机实现对科研数据的有效利用，真正体现材料数据库软件的特点和优势。辅助应用模块主要包括检索查询、性能比较、多接口支持、图形绘制、数据处理、单位转换等多个子模块。同时，还可根据工程需要进一步扩展。

查询检索软件提供广泛和简单易行的材料信息访问方法，能够确保使用者快速、有效地在数据库中检索到所需的材料信息，并可以通过材料数据内容筛选特定的材料，具体功能如下：

⑴浏览。可以直接利用Web浏览器（IE6.0以上）浏览数据库。

⑵查询。分目录树查询和条件查询2种方式。条件查询支持简单搜索和高级搜索，模糊查询和数据查询功能。简单搜索直接输入材料名称等进行搜索；高级搜索为布尔运算的多条件搜索，并可依据材料参数对搜索结果进行排序，同时支持在检索结果中再查询的功能。

⑶筛选。能够通过材料属性值进行材料筛选，帮助设计人员快速选材，如通过设置“拉伸强度＞2800MPa”和“冲击后压缩强度＞250MPa”2个搜索条件，即可快速检索到满足条件的材料，完成材料筛选。

单位转换软件中能够实现不同单位制之间的自动换算，如压强单位可以在常用单位Pa、MPa、GPa之间自由切换。材料管理员通过配置建立系统默认的单位规范，使用人员在应用过程中可以根据需求进行单位设置。在单位设置修改后，将之前存储的参数自动转换为现有单位的数值，确保了数值的统一性，方便比对分析。

性能比较。能够在一个页面上一览无余地展示多种材料的多种性能信息，方便进行比较查看。用户可以根据需要选择性能数据中的一个或者几个参数，并指定其范围或者数值进行检索，在检索出的材料中再进行选择，比较其中几种或者全部材料的参数，其中参数可以指定比较哪几个或者哪几类，程序可以根据用户的指定呈现相应的界面，方便用户尽快而准确地查找到需要的材料。

数据绘图。能够以图形化的方式展示所选材料的属性和材料性能比较的结果，如材料的应力－应变曲线、热导率随温度的变化曲线等。

A/B基值计算。对于复合材料而言，材料许用值和设计许用值是在设计制造过程中选材的重要参考。数据库提供常用的统计分析和处理模型，如正态分布、威布尔分布等，实现材料数据和这些模型的动态组合及结果的可视化，可以将测试数据处理成相应的性能结果数据，提供正态、对数正态、威布尔分布下的平均值、方差、标准差、A/B基值等。A/B基值的计算过程符合材料数据统计标准流程，包括威布尔、正态、对数正态、非参数法、方差分析（ANOVA）法等。

CAX接口。数据库中提供各种接口功能，可以方便地将材料参数按照一定的格式导出到一个文本文件，工程所用的主要是CAD/CAE软件，如UG、Abaqus和Ansys等，能够直接调用这些文本文件进行模拟仿真计算，实现材料数据在数据库与应用软件之间的流畅链接。同时具有扩展机制，能够支持未来增加的软件工具，最终能够实现与总体协同设计系统的连接。

此外，还设计了输入输出和分类统计等功能模块。

5.系统管理模块

图6 数据库系统管理

系统管理模块实现对材料数据库软件的全面管理，如图6所示，操作人员可以进行人员、数据、权限的各种管理，同时可以进行数据库的基本配置、软件界面内容的增删修改操作，还具有对所有操作的记录、控制功能。采用保密规定要求的三员管理机制，通过对管理员、安全员、审计员权限的规定与制约，有效确保系统的安全性。系统管理员负责系统日常维护，用户增删等；安全员负责用户权限划分、普通用户日志的审计，以满足工作需要的最小需求进行配置；审计员负责系统管理员和安全员日志审计，安全员分配权限后审批人审批通过后此权限生效。三员相互独立，相互约束，系统不能有超级管理员或可以组合成超级管理员的任何可能性。

针对航空航天领域树脂基复合材料的材料数据分散、流通不畅和重复工作等问题，建立了树脂基复合材料数据库，为复合材料的研究和应用提供了一个高效的数据存储、管理和访问的平台，亦可作为复合材料知识管理的应用实践。数据组织按照材料研究的一般流程，实现了从原材料、中间材料制备、试样加工、性能试验和工艺件成型全过程的信息管理，记录了原材料采购与供应、工艺过程、组分、复验随炉等所有数据，使得对材料特性的任何变化都能追溯其产生的原因，为航天质量管理、研究人员发现材料特性、控制关键点、改进工艺设计提供了基本保证。随着数据库自身的不断完善升级和复合材料数据的不断积累，数据库可以完成从材料数据检索到设计指引甚至独立预测或设计的功能，为树脂基复合材料的进一步扩大应用提供最有力的数据支撑。▲