数据绘图处理软件设计论文

摘要：针对复杂软件开发过程中需求模型到设计模型转换的问题，讨论了在软件设计过程中如何将数据流图转换为结构图。首先，根据软件设计方法提出了从需求模型到设计模型的项目背景。其次，对本项目的需求进行了分析，着重介绍了本项目绘图输入模块的设计方法。最后，描述并给出了实验结果。实验结果表明该文提出的数据流图到结构图的转换方法的正确性和有效性。以下是小编精心整理的《数据绘图处理软件设计论文(精选3篇)》的文章，希望能够很好的帮助到大家，谢谢大家对小编的支持和鼓励。

数据绘图处理软件设计论文 篇1：

HAJIF软件前后处理模块设计与实现

摘要： 为满足国产有限元软件HAJIF对大规模可视化的前置建模和后置数据处理功能的迫切需求，基于面向对象的程序设计思想设计并实现具有高度灵活性的前后处理模块.提出层次化、组件式的软件设计架构.在前处理功能设计方面，引入准C++标准Boost库，解决模型数据的持久化和内存管理问题；采用节点相关面法以及OpenGL深度缓存机制大大提升模型显示效率.在后处理功能设计方面，建立物理场量值与颜色的对应关系，并构建结构变形比例放大因子计算公式.研究表明：面向对象的程序设计方法可以大大提高开发效率和前后处理模块的可维护性.

关键词： HAJIF； 前处理； 后处理； 有限元； 面向对象程序设计

0 引 言

商业化的CAE软件，如Abaqus和Nastran等，大多具有友好的前后处理模块.HAJIF是航空工业集团研发的大型有限元分析软件，其功能涵盖静力、模态、屈曲等通用计算以及优化、静弹、颤振、热应力分析等专用求解计算功能.[1]近年来，随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个HAJIF计算系统求解规模越来越大，求解效率也越来越高，但由于缺少对大规模模型的前后处理功能，HAJIF软件的长远发展与市场销售受到制约，因此，增强可视化的前置建模和后置数据处理功能十分迫切.

在分析有限元前后处理特点的基础上，提出以有限元数据结构为中心构建前后置程序架构的思路，借助主流的程序设计语言C++，采用面向对象的程序设计思想，设计开发前后置模块HAJIF_PrePost，并重点对其中的关键功能技术进行探讨，如底层数据结构设计、模型数据持久化、大规模网格与云图显示技术等.

1 总体架构

HAJIF_PrePost模块采用层次化的三层体系架构，见图1.底层是数据层，负责有限元模型数据的管理以及图形显示数据管理，是前后置模块的基础；中间层是业务层，承上启下，串联界面层与数据层，负责具体功能接口的定义实现、模型卡读写、图形处理、数据处理等，是前后置模块的核心；最上面层是界面层，主要提供数据显示、交互及建模功能，并负责各个求解模块的界面定义和任务管理.

出于开放性的考虑，HAJIF_PrePost模块遵循面向对象、模块化的软件构建技术，按照高内聚低耦合的原则，以库函数的方式形成一系列基础服务组件即动态链接库，不同功能组件通过约定的接口协同工作、传递数据，整个架构由一个主程序和多个基础服务组件构成，见图2.

2 前处理关键功能设计

2.1 数据结构设计

利用C++面向对象继承的重要特性，建立HAJIF_PrePost模块完整的前后处理类层次结构.[2-3]分别构建Element，Node，Material，Property，Load和Bound等基类，用于对有限元单元、节点、材料、属性、载荷和边界等数据的公共部分进行封装.在设计好基类后，可以派生出更加具体的子类，例如：由载荷类可以派生出力矩类、温度类，由属性类可以派生出杆元类、梁元类和壳元类等.

为实现有限元数据的可扩展性，HAJIF_PrePost模块采用工厂设计方法模式，通过工厂对象接口，将实际创建工作推迟到子类中，使系统在不修改工厂接口的情况下引进新的产品.如：分别定义单元类ElementSet，材料类MaterialSet，属性类PropertySet和载荷类LoadSet等8个工厂接口，然后通过定义模型管理类FemManager存储管理相应的工厂类.以种类相对较多的单元类为例，其数据结构见图3.

2.2 模型数据管理

模型数据管理是CAE软件前后处理的基础：一方面需形成统一的数据库文件，将内存中的模型数据进行存档；另一方面能根据用户需要快速方便地进行内外部数据的交换.基于C++标准库的I/O流框架虽然提供富有弹性且易于使用的流处理机制，但不具备快速对模型对象进行序列化存储、存档的能力.准C++标准Boost Serialization能以库的形式为C++提供这个重要的功能，可以序列化C++中的各种类型，同时Serialization库把存档的格式与类型的序列化完全分离开来，任意的数据类型都可以采用任意的格式保存，非常灵活.[4]由于HAJIF_PrePost模块是按照面向对象的思想进行设计的，因此可以应用Serialization库将模型对象转换为一个字节流进行存储或者传输，在需要时再恢复成与原状态一致的等价对象.

仅仅依靠Boost Serialization进行模型对象的序列化与反序列化，会存在内存泄露的问题，特别是在反序列化时虽然分配内存但是却没有合理的地方释放，采用外部释放又存在释放不完全的风险，故引入Boost库的智能指针Share_ptr进行内存管理.以材料对象为例，在材料类集合对象映射表中存储其智能指针，伪代码如下.

2.3 大模型网格的可视化

有限元模型是由三维网格单元组成的，随着建模精度的逐渐提高，网格单元数量级可能上亿.由于在三维模型可视化过程中需要显示的只是所选择的计算区域外表面的信息，因此大模型网格的可视化问题就转化为快速判断在三维网格中哪些单元面是外表面，以及哪些外表面可见的问题.

针对单元内外面问题，众所周知，由于在三维模型网格中内部单元面属于并只属于2个单元，外部单元面只属于某一个单元.组建结构外部单元面的一般方法为先形成结构中所有单元的单元面，然后对各个单元面进行比较，节点组成完全相同的面即为内部单元面，其余的即为外部单元面.[5-6]随着网格单元数目的增加，这种方法的运算量将呈几何级数增加.为提高模型的显示速度和效果，采取如下更高效的节点相关面方法.

（1）建立节点相关面列表，F（n）=F1，F2，…，其中：n为节点编号，Fi代表一个单元面，例如单元号为154的四面体的1面为154.1，2面为154.2.

（2）对非空的F（n）列表的各个相关面进行比较，剔除节点组成完全相同的面，剩下的即为节点相关的外表面.

在提取出外表面后，需要把三维模型信息经过某种投影变换在二维显示的表面上绘制出来.投影变换会失去深度信息，导致图形的二义性.要消除二义性，就要在绘制时消除实际不可见的面，对三维模型的内部单元和被遮挡的外部单元进行消隐.HAJIF_PrePost模块应用基于OpenGL的帧缓存图形消隐技术，即OpenGL的深度缓存.深度缓存保存每个像素的深度值，深度通常用视点到物体的距离来度量，有较大深度值的像素会被较小深度值的像素替代，即远处的物体被近处的物体所遮挡.[7]深度缓存也称为Z-buffer.在实际应用中，常用x和y度量屏幕上水平与垂直距离，而用z度量眼睛到屏幕的垂直距离，如果像素的z坐标值小于深度缓冲区中的深度值，则深度缓冲区中的深度值被z坐标值替代，即只保留距离观察点近的图形元素所对应的像素，也就是说他们没有被其他元素遮挡住并最终在眼前显示.对有限元模型每个显示对象的每个面上的每个点都进行上述处理后，即可得到消除隐藏面的有限元模型.某机翼盒段结构三维网格模型见图4.

3 后处理关键功能设计

3.1 彩色云图绘制

有限元数值结果主要包括位移、应力和应变等信息，相应的后处理程序以彩色云图的绘制为主要内容，以便能快速准确地掌握模型中物理量的客观分布以及极值的大小和位置等.

在计算结果平滑云图的绘制过程中，彩色云图绘制的关键之一是建立物理场量值与颜色的对应关系.[8-9]通常，有限元计算结果数值较大且危险的部位用红色表示，数值结果较小且相对安全的部位用蓝色表示.在HAJIF_PrePost模块中彩色云图的配色主要采用RGB方案，最小场值配色为蓝色，最大场值配色为红色，场值中值配色为绿色，物理量场值和颜色呈线性分布，见图5.最后，通过OpenGL绘图命令对模型进行着色，并进行绘制和填充，填充后的彩色云图使有限元分析数据的描述更为直观.某机翼盒段模型应力云图见图6.

3.2 变形图绘制

由于载荷作用，工程结构会产生各自由度方向上的变形，经有限元分析后体现为离散节点的位移.将节点位移以变形图形式表现出来，有助于更直观、更准确有效地评价结构的受力变形或振动情况.[10]但是，离散结构的节点位移相对于结构尺寸要小得多，若直接将节点位移叠加到节点坐标上并进行离散结构单元的重绘，由此得到的离散结构变形图几乎看不出整体结构的变形情况，因此需要对节点位移进行适当程度的放大.基于此，在HAJIF_PrePost模块中将最大的节点位移放大到结构尺寸的f倍，取f为0.15～0.2，模型变形图的比例换算因子

4 算 例

为验证HAJIF软件前后置模块的实际性能，选取飞机机身结构进行验证.机身模型见图8.该有限元模型包含928 768个节点，由231 600个杆元和694 800个四边形单元等近百万个单元组成，在8GB内存、2GB显存的计算机上，应用操作流畅，显示效果良好，满足使用要求.计算结果见图9.

5 结束语

（1）通过封装基本数据类派生出高级类的方法，建立面向对象的系统架构，符合现代软件的设计思想，大大提高HAJIF_PrePost模块开发效率和可维护性，对于提高软件质量以及缩短开发周期具有现实意义.（2）HAJIF_PrePost模块具有操作简单、功能全面、可扩展性强等特点，给用户带来直观的感受和操作的便利，提升国产CAE软件HAJIF的竞争力，具有广阔的发展前景，为进一步市场开拓打下坚实的基础.

参考文献：

[1] 孙侠生， 段世慧， 陈焕星. 坚持自主创

新 实现航空CAE软件的产业化发展[J]. 计算机辅助工程， 2010， 19（1）： 1-6. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2010.01.003.

SUN X S， DUAN S H， CHEN H X. Keeping independent innovation， implementing industrialization development of aviation CAE software[J]. Computer Aided Engineering， 2010， 19（1）： 1-6. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2010.01.003.

[2] 魏守水， 张合宝， 姜春香， 等. 面向对象微流体有限元分析软件的设计[J]. 计算机应用与软件， 2008， 25（10）： 27-29. DOI： 10.3969/j.issn.1000-386X.2008.10.011.

WEI S S， ZHANG H B， JIANG C X， et al. The design of object-oriented finite element analysis software for microfluid[J]. Computer Applications and Software， 2008， 25（10）： 27-29. DOI： 10.3969/j.issn.1000-386X.2008.10.011.

[3] 魏泳涛， 于建华， 陈君楷. 面向对象有限元程序设计——基本数据类[J]. 四川大学学报（工程科学版）， 2001， 33（2）： 17-21. DOI： 10.3969/j.issn.1009-3087.2001.02.005.

WEI Y T， YU J H， CHEN J K. Object-oriented approach to the finite element programming： basic data classes[J]. Journal of Sichuan University（Engineering Science）， 2001， 33（2）： 17-21. DOI： 10.3969/j.issn.1009-3087.2001.02.005.

[4] 罗剑锋. Boost程序库探秘——深度解析C++准标准库[M]. 北京： 清华大学出版社， 2012： 373-424.

[5] 徐良寅， 李云鹏， 陈飙松. 面向超大规模有限元计算的通用可视化系统SiPESC.POST的设计与实现[J]. 计算力学学报， 2015， 32（2）： 220-224. DOI： 10.7511/jslx201502013.

XU L Y， LI Y P， CHEN B S. Design and implementation of general visual system SiPESC.POST for large scale finite element computation[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics， 2015， 32（2）： 220-224. DOI： 10.7511/jslx201502013.

[6] 林庚浩， 马天宝， 宁建国. 三维有限差分计算中大规模网格生成及显示技术[J]. 计算机辅助工程， 2012， 21（4）： 1-5. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2012.04.001.

LIN G H， MA T B， NING J G. Large-scale grid generation and display technology in 3D finite difference computation[J]. Computer Aided Engineering， 2012， 21（4）： 1-5. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2012.04.001.

[7] 简学东， 陆玲， 莫桂花. Z缓冲消隐算法的改进[J]. 计算机应用与软件， 2007， 24（9）： 149-150. DOI： 10.3969/j.issn.1000-386X.2007.09.053.

JIAN X D， LU L， MO G H. An improvement to Z-buffer hidden surface remove algorithm[J]. Computer Application and Software， 2007， 24（9）： 149-150. DOI： 10.3969/j.issn.1000-386X.2007.09.053.

[8] 李建波， 陈健云， 林皋. 针对三维有限元数据场的精确后处理算法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报， 2004， 16（8）： 1169-1175. DOI： 10.3321/j.issn：1003-9775.2004.08.024.

LI J B， CHEN J Y， LIN G. Precise visualiztation algorithm for the post-processing of 3D finite element model[J]. Journal of Computer Aided Design & Computer Graphics， 2004， 16（8）： 1169-1175. DOI： 10.3321/j.issn：1003-9775.2004.08.024.

[9] 周伟， 田红旗， 高广军. 一种有限元科学计算可视化方法[J]. 工程图学学报， 2010， 31（5）： 112-117. DOI： 10.3969/j.issn.1003-0158.2010.05.019.

ZHOU W， TIAN H Q， GAO G J. Visualization in scientific computation of FEM[J]. Journal of Engineering Graphics， 2010， 31（5）： 112-117. DOI： 10.3969/j.issn.1003-0158.2010.05.019.

[10] 倪昱， 金建海， 单威俊. 舰船综合水动力分析虚拟试验系统中试验结果的可视化关键技术研究[J]. 船海工程， 2013， 42（2）： 8-12. DOI： 10.3963/j.issn.1671-7953.2013.02.003.

NI Y， JIN J H， SHAN W J. Key techniques of visualization of virtual experimental result in ship hydrodynamic performance analysis system[J]. Ship & Ocean Engineering， 2013， 42（2）： 8-12. DOI： 10.3963/j.issn.1671-7953.2013.02.003.

作者：黄河 姚刚 段世慧

数据绘图处理软件设计论文 篇2：

一种软件需求模型到设计模型的转换方法

摘要：针对复杂软件开发过程中需求模型到设计模型转换的问题，讨论了在软件设计过程中如何将数据流图转换为结构图。首先，根据软件设计方法提出了从需求模型到设计模型的项目背景。其次，对本项目的需求进行了分析，着重介绍了本项目绘图输入模块的设计方法。最后，描述并给出了实验结果。实验结果表明该文提出的数据流图到结构图的转换方法的正确性和有效性。

关键词：需求模型；设计模型；数据流图；软件结构图；转换

随着计算机和互联网的飞速发展，软件规模和复杂度不断增大。在经历了程序设计阶段、软件设计阶段和受到软件危机的影响，软件开发进入了应用多种技术和管理方法指导软件开发的软件工程阶段。在软件生命周期中，需求和设计是重要的两个环节。需求分析是对软件功能目标的明确，设计阶段分为总体设计和详细设计，其中总体设计的任务是将软件需求转化为数据结构和软件的总体结构。由于需求分析针对软件的问题空间，设计阶段针对软件开发的解空间，两者在软件开发过程中如何很好的衔接成为软件设计人员需要解决的问题。随着研究人员对需求和设计研究的深入，从需求模型过渡到设计模型的问题逐渐成为软件工程研究领域关注的热点[1]。

在面向对象设计（OOD）的方法中，目前主要有基于特征模型的方法、基于Use Case图的方法、基于设计模式的方法以及基于模型转换的方法[2]。而在面向数据流设计的方法中，由于传统的结构设计（SD）方法的局限性和转换工作本身固有的困难性，从数据流图导出结构图的转换工作至今仍然以手工方式进行。

该工具的设计旨在对复杂软件系统数据流图到结构图的转换展开研究工作，为复杂软件系统提供绘制数据流图和从数据流图到软件结构图的转换功能。

2 系统的设计与实现

系统的开发过程分为以下几个阶段：

2.1 需求分析

1） 建立和存储数据流图

数据流图是一种图形化技术，描绘数据在软件中流动和被处理的逻辑过程，是系统逻辑功能的图形表示。数据流图由数据处理，数据源或终点，数据存储文件和数据流构成。通常数据处理用圆形表示，数据源或终点用矩形表示，数据存储文件用右侧未封闭的矩形表示，数据流用带箭头的直线表示。

要完成数据流图的绘制，工具要提供绘制上述四种图形的功能。为了设计出更合适的数据流图，要对这些图形进行细化的处理：①对选定图形的大小进行调整；②对选定图形添加文字内容；③对选定图形进行拖动。

为了给数据流图向软件结构图的转化提供接口，数据流图的各个组件要以一定的形式保存起来，方便转换方法对其进行调用和处理操作。同时，为了保证数据流图的持久使用性，要将数据流图的信息以一定的格式保存在本地，再次使用时可以随时获取从而显示在绘图界面上。

2） 从数据流图转化为结构图

设计以数据流图为输入端，以结构图为输出端的转化算法。

3） 显示结构图

利用数据流图的绘制模块加以修改和扩展，将转化算法的输出数据显示出来。用户可以对结构图进行自定义的修改。

2.2 系统设计

工具按功能需求分为：输入，处理，输出三个模块，分别完成创建数据流图，从数据流图转换到结构图，输出结构图的功能。

2.2.1 输入模块

工具的形式化设计采用JavaSwing技术，工具窗体由菜单栏，工具栏，文件资源管理，绘图面板栏等组成。

借助Java2D技术通过继承建立圆形，矩形，右侧未封闭矩形，带箭头直线的实体类，运用适配器模式实现对图形的选定操作，从而实现对选定图形的细化处理。

建立数据实体类将数据流图的各个节点的详细信息存入集合，利用XML实现对集合中每个信息读写操作。

下面的流程图（图1）展示了绘制数据流图的一般过程：

输入模块的关键在于绘图面板的设计，以下是绘制数据流图的几个关键点：

1） 绘图面板的状态：由工具栏按钮的事件响应控制绘制图形的种类，按钮与绘图面板的状态一一对应。

2） 确定鼠标按下所在坐标：如果点在图形中，返回该图形对象并设置其已被选定属性。对于点是否在直线上这个问题，通过确定的一个非常小的范围，判断点到直线的距离是否在此范围内来解决。

3） 绘图面板的事件监听：鼠标单击则选定图形，双击则对组件进行命名，拖动则跟随鼠标改变组件的位置。

4） 临时坐标：为了达到绘图的平滑效果和良好的用户体验，采用临时坐标对当前绘制的图形进行定位修正。当坐标改变时，绘图面板立即刷新，从而达到预期理想的效果。

2.2.2 处理和输出模块

转换算法的主要思想是采用添加边界节点法，将边界部分有多条数据流的数据流图汇聚到一个新节点，将添加的节点作为结构图的第二层，作为数据流传递的间接接口。[2]

转换过程中需要采用上述方法将图结构转换为树结构，最后以树结构的形式呈现出结构图。

2.3 实验结果

输入数据流图示如图2所示，其中包括：数据源点和终点，A表示输入部分，B表示处理部分，C表示输出部分。

3 相关工作比较

在研究该项目的过程中，查阅了数据流图向结构图转换的相关研究成果。和《从数据流图到模块结构图的自动转换系统》（以下简称“自动转换系统”）[3]这一研究成果相比较，相似点在于从数据流图到结构图的转换的思路都是将数据流图转化为有向图结构。但也有不同之处，《自动转换系统》采用“有向控制图”的方法对数据流图进行了特定的限制，而本项目则是采用“添加边界节点”的方法将数据流图以有向图形式进行处理；另外在获取数据流图这一步骤中，《自动转换系统》采用输入参数的方法，而本项目采用的形式化交互式的绘图模式，方便性和人性化程度都更高。

4 结束语

本文针对复杂软件开发过程中需求模型到设计模型转换的问题，讨论了在软件设计过程中如何将数据流图转换为结构图。首先，根据软件设计方法提出了从需求模型到设计模型的项目背景。其次，对本项目的需求进行了分析，着重介绍了本项目绘图输入模块的设计方法。最后，描述并展示了实验结果。实验结果表明本文提出的数据流图到结构图的转换方法的正确性和有效性。该工具的设计实现了从数据流图到结构图的转换，建立了软件生命周期中需求和设计之间的联系，有利于帮助软件设计从需求向设计的转化。

参考文献：

[1] 梅宏，申峻嵘.软件体系结构研究进展[J].软件学报，2006，17（6）：1257-1275.

[2] 祝义，黄志球，曹子宁，等.一种基于形式化规约生成软件体系结构模型的方法[J].软件学报，2010，21（11）：2738-2751.

[3] 丁忠俊.从数据流图到模块结构图的自动转换系统[J].小型微型计算机系统，1995，16（8）：41-46.

作者：笪浩军　祝义　刘东飞

数据绘图处理软件设计论文 篇3：

液压万能材料试验机的自动化改造

引言：液压式万能材料试验机具有价格便宜和经久耐用的优点，但是在使用时的精度较低，不能完全实现加载速度的精确控制。对液压万能材料试验机进行合理改造，提高其自动化水平，在相应部位添加必要的传感器和电压比例阀，采用计算控制方式使得拉升试验实现自动化，本文即是对此展开的研究。

0引言

作为一种独立的产品，自动化材料试验机最早出现于西欧。在对材料的机械性能进行测定时，液压万能材料试验机是必备设备之一，其使用历史已有上百年。实践证明，这种设备能够实现对金属和非金属进行各类试验，如：拉伸试验、压缩试验以及弯曲试验等[1]；能够实现对材料强度和塑性指标的测定。科学技术的进步提高了机械设备的自动化水平，相应材料的机械性能试验也朝着越来越精确的方向发展，其要求也越来越高，尤其是在试验精度以及数据处理上的要求更加严格。一些新型的实验设备应运而生，但是受价格等外界因素的影响，很多相关单位还不能及时的将其设备更换成这些新出现的实验设备，一些规模较小的企业依然采用传统的液压万能材料试验机。尽管该试验机技术较为落后，具有较为庞大的体积，但其优点也不容忽视。如：具有较为方便的操作，油压系统的使用寿命较长。因此，很多这种试验机的使用者希望能够不更换设备，通过升级改造的方法进行设备的升级，使其适用于新环境中，满足精度要求，从而节省成本。

1液压万能材料试验机中的不足

对液压万能试验机的不足进行总结，主要包括以下四点：首先，其测量时的精度较低[2]。在液压万能试验机系统中，油液从油泵中输出后进入到工作油缸中，对试样施加必要的载荷，与此同时，油液进入到测力油缸中，使得联动摆锤动作，测力读盘指针被推动，从中可以读取有用数据[3]。在这一过程中，所有的传递环节均为机械传动，会存在较大误差。另外，读数盘的精度有限，读数是人工进行的，这也大大降低了测量的精度。其次，液压万能材料试验机的加载速率很难实现定量控制。通常情况下，操作人员是按照工作经验对节流阀的开度进行调节，从而控制试样的加载速率，这种方法具有较大的不确定性，受操作者经验的影响较大。再次，该试验机的实时性较差。在绘制曲线时，只能实现单一的曲线绘制；当前，该试验机只能进行“载荷-变形”曲线的粗略绘制，在需要进行实时应力以及应变数值的测量时无能为力，当然也无法实现“应力-应变”曲线的直接绘制。最后，液压万能材料试验机的自动化水平较差，工作时效率不高。在该系统的实验数据处理以及实验报告中，依然需要通过人工的方式进行，这不仅浪费了大量的时间，同时也需要消耗大量的人力。

科学技术的不断进步，各种先进的新型测试手段不断涌现，人们希望能够提高设备的自动化水平，减少人工劳动量。相比之下，液压万能材料试验机已经无法满足当下的需求，其测试手段有待升级和改造。

2液压万能材料试验机改造方法

对液压万能材料试验机进行合理改造，存在的方法多种多样，它们各有利弊，对可行的几种改造方案进行总结，包括：1）通过单片机系统进行改造。这种方案的长处在于具有较为简单的结构和较小的体积，其成本也较低，在嵌入式系统的实现上也较为方便；其最大不足在于：具有较为复杂的电路系统，稳定性低，在处理数据时速度不尽人意，实时操作难以实现。当前，在试验机领域，备受人们关注的焦点是在加载过程中，如何有效保证稳定的应力速度以及应变速度，通过单片机系统进行改造的方案无法实现这一目标。2）通过速度控制器来实现对电机的控制，随之对压力施加负荷进行控制，这种方案能够实现速度电流的反馈，属于一种较为古老的控制方式。例如：在需要对步进电机驱动步数进行计算的场合，采用位置式控制器，最终实现对应力速度、位移速率以及定应变等实验结果的获取。但值得注意的是，作为一种非线性时变系统，液压万能材料试验机的数学模型较难建立，如果采用常规的控制器将难以实现较好的控制效果[4]。在实际使用时，参数整定的方法较为繁杂，受此困扰，常规的控制器常常无法正确整定，具有较差的适应性。3）通过微机以及传感器技术等进行改造。如：在应力应变速率的控制上，通过采用电液比例阀或者是电液伺服阀达到高精度控制的目的[5]；在测量控制系统中，通过采用计算机卡式设计。这种方案的优点在于：具有较强的抗干扰能力，质量好，性能稳定。另外，这种方案在实现时只需要通过鼠标的点击即可，操作方便。在各类试验曲线的绘制上也具有较大的灵活性，能够及时将曲线数据存储下来，具有曲线放大功能。在选择哪种方案进行试验机的改造时，应该与实际情况相结合，最大程度的满足用户要求。本文权衡利弊，最终选择方案三进行液压万能材料试验机的改造，提升设备的自动化水平，图1给出了试验机改造的原理图。

图 1试验机改造原理图

3 系统组成分析

在采用微机以及传感器技术进行试验机系统的改造时，保留了手动加载的部分，同时增加了一条支路，试验机的加载速率是通过电液比例阀来控制的。这样一来，不仅能够通过手动进行操作，还可以实现自动控制。将具有较高精度的压力传感器添加在进油管处，实现对系统压力的检测，另外，采用位移测量系统以及相应的处理技术，对数据进行自动化采集和分析处理。此时的数据采集速度快，测量的精度也较高；在数据分析和处理上，不仅更加周全，还实现了交互式处理，数据可以通过图表、曲线等不同的方式表现出来。这样一来，液压万能材料试验机在进行信号检测以及数据处理时，其水平更加接近现代试验机的水平，能够适应新形势。

图2 机械部分和硬件组成示意图

对升级和改造后的试验机进行分析，图2给出了机械部分和硬件组成示意图。主要由以下几个部分组成：主机部分。主机部分的部件包括：工作活塞、油缸、工作台、底座、立柱、上下移动横梁、试样夹持以及活动横梁等[6]。主机部分实现的作用是将试样夹紧和固定，实现试样的加载。液压部分。液压部分的组成包括：高压油泵、油箱、送油阀、电液比例阀、回油阀、截止阀、主机的工作油缸、测力油缸活塞、工作活塞等[6]。该部分的主要作用是对试件的夹紧和加载进行控制。检测部分。检测部分的组成包括：电子引伸计、负荷传感器、光电编码器等[6]。该部分的主要作用是对实验对象所受的试验力等进行检测。数据采集处理以及控制部分。该部分包括：数据采集、控制电路、处理、打印机、计算机软硬件系统、手动控制器件等[6]。其主要用途是实现对整个系统的控制，设置和显示各类参数，对实验过程以及结果进行记录等。电气部分。该部分包括：交流接触器、各类继电器、开关按钮等[6]。其作用是开关油泵电机，对衡量升降结构的动作、限位等进行控制。

4控制系统的软件设计

对于液压万能材料试验机系统来说，软件的好坏至关重要，它将对操作的简易程度以及数据的可靠性产生直接影响，在某种意义上来说，软件甚至关系到整个改造是否成功。在本次改造中，所采用的测试软件包括五个模块。其中，数据采集模块实现的功能是对初始化参数进行设置，实现传感器的调零和定标。图形输出模块主要是将数据曲线反映在屏幕上，也可以将数据图形打印出来。数据输出模块的功能是将所需的数据打印出来，也可以实现对数据的手工修改，依据实际情况添加或删减一些数据，最终将数据存盘，通常情况下，处理的数据为材料性能的关键点数据，有些情况下也包括采集的数据中的某一部分。报告打印模块主要是指在完成试验之后，将一些有用的数据以及原始图形等打印出来。

5结论

在采用微机以及传感器技术改造后的液压万能材料试验机中，控制元件为数字比例压力流量复合阀，它能够通过微机软件自动控制加载力值和速度。实现了可控的加载力值，在进行速度大负荷的测试时具有较好的效果，测试的性能十分稳定。在计算机屏幕上实现了数据的显示，数据类型包括：变形和加载速率，变形的速度以及材料的各项特性等。所获得的实验结果可以整理成报表，具有直观性的特点，实时性能较好。在新系统中，实验结果可以通过打印机打印出来，也可以采用绘图仪绘制出相应的试验曲线，只要能够显示于屏幕上，即可打印成报表。实验报告等可以实现批量打印以及存储，有利于完整的保存。由于在改造过程中依然保留了手动加载的环节，整个系统不仅能够实现自动化操作，也可以实现手动操作，其控制的灵活性大大加强。对试验机改造成功与否进行判断，主要依据是检查最后的测试数据精度以及试验曲线，如果精度达到了规定的要求，试验曲线准确，则说明改造是成功的。

参考文献

[1]何芝仙，桂长林.万能材料试验机技术改造问题探讨[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2004，27（1）：80～82.

[2]陈玉坤.用计算机对液压式万能试验机的改造[J].制造业自动化，2001，23（6）：46～48.

[3]李建永，王彤，赵辉等.液压万能材料试验机的CAT改造[J].液压气动与密封，2009，2：57～59.

[4]杨莉华.W E-60液压万能材料试验机的数字化改造[D].中国知网，2007，10：13.

[5]杨莉华.WE-60液压万能材料试验机的数字化改造[D].中国知网，2007，10：20.

[6]杨泽勇，何广平.材料试验机测控系统关键技术的研究与实现[J].计算机测量与控制，2005，13（11）：1210～1213.

作者简介

杨志刚，出生年月：1978.7，性别：男，籍贯：四川，职称：工程师，研究方向：计量管理 计量检定 万能材料试验机改装

作者：杨志刚