（机械制造及其自动化专业论文）铸造模拟软件数据库设计及后处理可视化研究.pdf

摘要 铸造工艺参数不合理是铸件产生缺陷的主要原因，金属液在铸型内充型和 凝固时的变化规律与工艺参数密切相关。铸造数值模拟借助计算流体力学和传 热学的发展，通过计算机准确地模拟铸件充型和凝固复杂的变化过程，描述铸 件在此过程中所发生的温度变化和速度变化，从而预测可能产生的缺陷，达到 改进工艺参数的目的。本论文主要研究铸造数值模拟的数据库技术和后处理可 视化技术，数据库模块为铸造计算模块提供材料的热物性参数数据，是进行铸 造数值分析计算的前提和基础；后处理模块是将计算结果利用可视化技术，以 图形图像的形式加以显示，为铸造工艺人员改进工艺参数提供准确的依据。因 此，数据库和后处理可视化技术在铸造数值模拟中占有重要位置。 在铸造工艺中，影响液态金属流动、传热的因素很多，但从根本上讲与金 属的热物性参数是分不开的。不同的材料热物性参数差异较大，而且数据量庞 大杂乱，管理起来很不方便。因此，对热物性参数进行收集、整理及建立一个 材料参数数据库系统显得尤为重要。本文基于a d o 数据库访问技术开发了铸造 c a e 热物性参数库，它能实现对热物性参数数据的存储、定位、检索、修改和 维护等功能，实现了对铸造材料的集中有效管理；分析并用曲线图描述了热物 性参数与温度密切相关的特性；最后其作为一个子功能模块集成到铸造模拟系 统，负责为数值计算和后处理过程提供材料参数数据。 本文应用科学计算可视化技术对铸造数值模拟结的结果数据进行可视化处 理，将充型凝固过程庞大的速度场、温度场结果数据转化成直观的图形显示给 用户。首先将结果数据分为标量数据、矢量数据两类，并用相应存储格式加以 保存，然后利用“色温图”技术显示铸件充型时金属液在型腔内的流动情况和凝固 时温度变化过程。研究了数据网格插值显示算法，使得具有不同颜色的网格顶 点在可视化时平滑过渡，在各单元间颜色变化平缓，更接近温度场的实际变化 情况；研究了铸件内部场量值分布情况的显示方法，通过绘制任意剖面彩色云 图可以反映场量值在内部结构中的分布规律。 关键字：数值模拟， a d o ， 可视化，网格插值， 剖面云图 a b s t r a c t u n r e a s o n a b l e n e s so fc a s t i n gp r o c e s sp a r a m e t e ri st h em a i nr e a s o nf o rc a s t i n g d e f e c t s t h ef i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fl i q u i dm e t a li s c l o s e l yr e l a t e dt o p r o c e s sp a r a m e t e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa n dh e a t t r a n s f e rt h e o r y , c a s t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s a b l et os i m u l a t et h i sc o m p l e x p r o c e s sp r e c i s e l yb yc o m p u t e r , a n dd e s c r i b et h et e m p e r a t u r ec h a n g ea n ds p e e d c h a n g eo fc a s t i n gw h i c ha r et a k i n gp l a c ei nt h ep r o c e s s i tc a np r e d i c td e f e c t s ，a n d t h e nw o r k e rc a ni m p r o v et h ep r o c e s sp a r a m e t e r s t h i sa r t i c l ed o e sr e s e a r c ho f d a t a b a s e t e c h n o l o g ya n dp o s t - p r o c e s s i n gv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fc a s t i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m d a t a b a s em o d u l ep r o v i d e st h e r m a l p r o p e r t i e s o f m a t e r i a lp a r a m e t e rd a t af o rc o m p u t i n gm o d u l e ；i ti st h eb a s i so fn u m e r i c a la n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o n p o s t p r o c e s s i n gm o d u l em a k e sc a l c u l a t i o nr e s u l td i s p l a y e di nt h e f o r mo fag r a p h i ci m a g eb yv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y i tp r o v i d e sa na c c u r a t eb a s i sf o r w o r k e rt o i m p r o v et h ep r o c e s sp a r a m e t e r s t h e r e f o r e ，d a t a b a s e sm o d u l ea n d p o s t - p r o c e s s i n go c c u p ya ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ec a s tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n d u r i n gc a s t i n gp r o c e s s ，t h e r ea r ean u m b e ro ff a c t o r st h a ti m p a c tf l o w i n gl i q u i d m e t a la n dh e a tt r a n s f e r , b u tf u n d a m e n t a l l y , t h e ya r ei n s e p a r a b l ef r o mm e t a lt h e r m a l p a r a m e t e r s t h e r m a lp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tm a t e r i a l sa r eq u i t ed i f f e r e n tf r o me a c h o t h e r , a n dt h i sd a t aa r em a s s i v ea n dm e s s y t h e r e f o r e ，i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt o d e v e l o p ad a t a b a s es y s t e mt om a n a g et h e r m a lp a r a m e t e r s t h i sa r t i c l eh a sd e v e l o p e d at h e r m a lp a r a m e t e rd a t a b a s es y s t e mf o rc a s t i n gc a eb a s e do na d od a t a b a s ea c c e s s t e c h n o l o g y t h i ss y s t e me n a b l e st om a n a g et h e r m a lp a r a m e t e r ss u c ha ss t o r a g e ， l o c a t i o n ，r e t r i e v a l ，m o d i f i c a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，m a k et h em a n a g e m e n to fc a s t i n g m a t e r i a lm o r ee f f i c i e n t d e s c r i b e dt h e c l o s e l yr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e r m a l p a r a m e t e r sa n dt e m p e r a t u r eb yc u r v e f i n a l l ya sas u b f u n c t i o nm o d u l eo fc a s t i n g s i m u l a t i o ns y s t e m ，d a t a b a s es y s t e mi s r e s p o n s i b l ef o rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n d p o s t - p r o c e s s i n gb yp r o v i d i n gt h e r m a lp a r a m e t e r sd a t a c a s t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r ev i s u a l i z e db yu s i n gv i s u a l i z a t i o ni n s c i e n t i f i cc o m p u t i n gt e c h n o l o g y , w h i c hd i s p l a yv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r er e s u l t si n t o i i a ni n t u i t i v eg r a p h i c st ot h eu s e r f i r s t l y , c l a s s i f yr e s u l t si n t os c a l a rd a t a ，v e c t o rd a t a t w ot y p e s ，t h e nu s ea p p r o p r i a t es t o r a g ef o r m a tt os a v et h e m t h e p r o c e s sl i q u i dm e t a l f i l l i n gi nc a v i t ya n dt e m p e r a t u r ec h a n g ed u r i n gs o l i d i f i c a t i o ni sr e f l e c t e db y c o l o r t e m p e r a t u r em a p a l g o r i t h mo fg r i di n t e r p o l a t i o ni ss t u d i e d ，i tm a k e st h et r a n s i t i o n b e t w e e nd i f f e r e n tv e r t e x e ss m o o t h l y , a n dt h ec h a n g eo fc o l o rt e m p e r a t u r em a pi n d i f f e r e n tc e l l si ss u b d u e d ，b e a u t i f u la n dc l o s et ot h ef e a ls i t u a t i o n i nt h ee n d s t u d i e d d i s p l a y i n gm e t h o d so fd a t ad i s t r i b u t i o n r u l e i n s i d ec a s t i n g s ，t h ec o l o rp i c t u r eo f i n t e r n a ls t r u c t u r ev a l u ei sr e f l e c t e db yd r a w i n ga l la r b i t r a r yc r o s s s e c t i o nc o l o r f u l c l o t a d k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a d o ，v i s u a l i z a t i o n ，g r i di n t e r p o l a t i o n ， c r o s s s e c t i o nc l o u d i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 立童垂日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将 本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：澎导师c ：劫乡日期 武汉理t 大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 铸造是国民经济的基础，铸造产品在机械产品中占很大的比重，同时铸造 又是产品质量不易保证、废品率较高的产业。国内铸造行业由于工艺水平低， 绝大部分废品都是由于铸造工艺设计不合理造成的【l 】，而目前的铸造工艺设计多 数还是凭个人经验，铸件质量得不到保证，存在许多铸造缺陷。而设计人员只 能在事后根据经验来完成生产工艺的优化【2 】，这即浪费了大量的资源，又降低了 企业的生产效率。随着经济建设的发展和国际市场的需要，对铸件质量要求越 来越高，这就迫使人们寻找出一种可靠、科学的方法手段来提高产品质量，提 高经济效益。 随着计算机技术的发展，计算机模拟技术在铸造领域得到了广泛的研究和 应用。将计算机技术应用于模拟铸件充型凝固过程，可以科学地预测液态金属 在充型凝固过程中的温度场和充型过程中的速度场，以及铸件的宏观缺陷和微 观组织等，从而优化铸造工艺设计、提高铸件质量、缩短产品的试制周期1 3 j 。因 此用计算机模拟铸造过程不仅可以提高铸造生产的水平，还可以为铸造行业带 来可观的经济效益。 我国在铸造计算机数值模拟方面的研究起步较晚，虽然取得了一定成果， 但仍处于落后地位1 4 j 。因此为了缩短与工业发达国家的差距，改变我国的铸造现 状，促进我国铸造工业现代化，积极开展铸造过程模拟研究是非常必要的，具 有重要的理论和实际意义。 铸造数值模拟系统主要包括前处理、数据库、计算求解和后处理可视化四 个模块【5 j 。其中，前处理模块的主要功能是实现几何条件加载、参数设置和网格 剖分；计算求解模块的任务是对充型过程中的流体流动和传热及凝固过程中的 传热进行模拟计算【6 】；数据库模块为铸造计算求解模块提供必须的材料热物性参 数数据，是进行数值分析计算的前提基础；后处理模块是将计算结果利用可视 化技术，以图形的形式显示计算模拟的结果数据，为铸造工艺人员进行工艺决 策提供正确的依据。因此，数据库、后处理在铸造数值模拟中占有重要位置， 武汉理t 人学硕十学何论文 积极开展这一领域的研究，对于提高我国铸造业水平，具有积极的现实意义和 较高的实用价值；对提高铸造过程数值模拟水平，降低废品率具有重要的意义。 1 2 铸造数值模拟国内外研究发展与现状 1 2 1 数据库技术的发展过程 数据库是一个按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库，其从上世纪 五十年代从诞生至今，数据库经过半个多世纪的发展形成了孥实的理论基础和 成熟的商业产品，并在企业管理、部门工作、工业生产等诸多领域得到广泛应 用。 数据库技术使得计算机数据管理产生了一场巨大的变革，它降低了数据的 冗余度，极大地节约了存储数据的空间并实现数据资源的充分共享【7 】。随着信息 管理不断深入扩展，数据库的规模和容量越来越大，数据库新技术也层出不穷。 从2 0 世纪6 0 年代至今，数据库技术的发展过程可分为三个阶段【8 】 9 1 ： ( 1 ) 数据库的萌芽阶段，这一阶段数据库的主要特点是开发了层次数据模 型。层次模型用树形结构表示实体之间联系，它最早的数据模型。2 0 世纪6 0 年 代美国i b m 公司的i m s 数据库是层次模型数据库的典型代表i l 。层次模型数据 库提供了良好的完整性并且其本身也比较简单，描述对象关系时具有直观易于 理解的特点，但是由于其结构严密，层次命令过于程序化，因此层次模型对删 除和插入操作限制比较多，影响了它的应用范围。 ( 2 ) 数据库的发展阶段，这一阶段数据库的主要特点是开发了关系数据模 型。英国计算机科学家埃德加于1 9 7 0 年首先提出关系数据模型概念【l l 】【1 引。关系 模型时用二维表结构来表示实体与实体之间的关系，实体的联系通过表格的公 共属性表示，数据结构较简单。与层次模型相比，其对数据描述的具有一致性， 用户对数据的操作不涉及数据的物理存储位置，因此数据有很高的独立性。因 为关系数据模型模型简单、查询方便、数据独立性高的优点，到目前位置，它 是应用最广泛的数据模型【l3 1 ，如现今广泛使用的a c c e s s 数据库、s q ls e r v e r 数 据库都是基于关系模型的数据库系统。但关系模型也有不足之处，较高的数据 独立性是一把双刃剑，再加上非过程化的查询功能，使得关系数据库系统在运 行时负荷重，查询速度变慢、效率降低。 2 武汉理f 人学硕十学位论文 ( 3 ) 数据库发展变革阶段，关系型数据库虽然应用广泛，技术也很成熟， 但在管理庞大的复杂类型数据时也暴露了它的局限性【l4 1 。到了8 0 年代，人们开 始探寻一种新型的数据库技术来满足社会各领域对数据管理日益增长的新要 求。针对不同行业和应用领域，人们提出了多种新型数据模型，影响较大的有 面向对象数据库和分布式数据库【l 引。 面向对象数据库把面向对象的方法和数据库技术相结合，使得数据库的设 计与分析与人们对客观世界的认识具有一致性，如计算机辅助印刷、材料需求 计划和人工智能专家系统等方面的数据库应用。与关系数据类型不同，面向对 象数据库系统不会因数据类型增加而降低的处理效率6 。 分布式数据库是随着网络技术的发展，结合分布处理技术产生的新型数据 库系统。它将不同地理位置的多个计算机数据库系统通过通讯网络连接组成 一个全局的大型数据库。它克服了中心数据库的弱点，提高了数据库系统的 可靠性，使得局部的网络故障不会影响数据库的正常使用。 1 2 2 铸造模拟可视化技术发展 数值模拟可视化是运用计算机图形学的原理和方法，将科学与计算产生的大 规模数据以图形、图像的形式展现出来，也就是将原来数值形式表达的信息用 不同色彩的图像去表达，也可以说是将符号信息转换成几何信息和图像信息【l7 1 ， 使人们能直观地观察事物内部的形成与发展过程。科学计算可视化已广泛应用 于有限元分析、流体计算力学和医学图像处理等领域，已成为可视化中一个十 分热门的研究领域。 科学计算可视化自从上世纪8 0 年代诞生，经过9 0 年代的快速发展，其可视 化能力由弱到强，可划分为下面三个阶段： 1 ) 数值模拟结果数据的简单后处理 最初数值计算可视化的计算过程和可视化过程是彼此分开的两个独立过 程，首先完成数值计算过程并将计算结果保存成数据文件，然后可视化过程读 取结果文件的数据进行图像显示，即科学计算的结果不能实时地用图形、图像 显示。 2 ) 数值模拟结果数据的实时跟踪显示 随着计算机计算和处理能力的不断增强，在进行数值模拟时，计算机可以 一边进行数值分析计算一边将计算的结果进行图像输出，实现了科学计算与可 武汉理i ：人学硕十学位论文 视化的实时同步。 3 ) 数值模拟结果数据的实时显示及交互处理 随着计算机技术的发展和人们要求的提高，可视化技术向着实时和交互不 断发展。不仅能实时的处理和显示数值计算的结果数据，用户还可以通过交互 操作实现对可视化过程的控制和引导，例如用户通过改变铸造初始条件或充型 凝固的边界条件，可以观察比较各个条件下数值模拟结果。 近几十年来，国外如美国、西欧、日本等发达国家著名的大学、研究所纷 纷进行科学计算可视化理论和方法的研究，展开了分布式虚拟风洞、大气及流 体等方面的可视化研究，在重要的国际计算机图形学会议上发表论文。科学计 算可视化已成为近年来国际学术会议讨论的一个热点问题【1 8 】。 国外大公司开发了用于科学计算可视化的软件系统，并形成成熟商品推向 市场，在众多工程领域得到了广泛应用。以有限元方面为例，比较著名的计算 可视化软件有p r o c a s t 、a n s y s 、 j - c a s t 等，它们不仅包含多种条件下的 有限元分析程序，还带有强大的后处理可视化功能。这些软件能加载工业生产 条件，调整工艺参数进行的数值模拟循环，从而优化工艺质量提高制造效率。 经过几十年的理论研究和工业应用，科学计算可视化得到了蓬勃发展并开始走 向应用【1 9 1 。 我国在可视化技术理论研究方面基本与国外同时起步，在一些领域获得了 进展，但在可视化应用商业软件方面相对与国外有较大的差距。，我国自1 9 9 1 年起将科学可视化的研究列为了国家自然科学基金重点项目和八六三高技术项 目，开展了复杂流场及电磁场、有限元分析计算结果、矢量场与张量场等方面 的可视化研究工作1 2 0 1 。 华中科技大学的尹照根、刘瑞祥、陈立亮等人在均匀网格有限差分系统中， 应用d i b 位图和面信息缓冲等技术进行图形加速，并在此基础上实现了图形的 实时转动和动态剖切，建立了一套完全基于差分单元的图形系统【2 1 1 。该图形系 统被应用于华中理工大学开发的华铸c a e 软件后处理模块中。 刘晶峰、刘瑞祥等人提出了基于o p e n g l 技术的铸造c a e 系统后处理模块 中“无锯齿化算法”，该算法的核心为“长方体与截平面求交”算法及“与截平面相 交的铸件立方单元网格的合并”算法【2 2 】。 4 武汉理r 人学硕十学位论文 1 3 课题研究的主要内容 本课题从数据库管理的高效性、规范性、可扩展性和后处理可视化流畅性、 准确性等方面入手，研究关系数据库的逻辑结构和表的数据结构，数值模拟结 果的最佳效果显示方法，主要包括如下内容： ( 1 ) 前台应用程序数据库界面和后台s q ls e r v e r 数据库设计 以v c + + 为开发环境，以基于对话框的应用程序为总体结构设计简洁、美 观、人性化的软件界面。整个界面包含一个主体对话框，一个列表框显示材料 的种类和名称，一个静态框中将显示列表框所选材料的详细数据，以及材料属 性的编辑、删除、更新、删除按钮。在s q ls e r v e r 数据库中设计各个表的字段 名称、数据类型、主键和表之间的关系。 ( 2 ) 材料热物性参数中比热、密度、导热率都是温度的函数，随温度的变 化而变化，研究它们随温度变化的方程系数，建立它们数学关系表达式，进而 绘制曲线图。 ( 3 ) 在v c + + 中结合a d o 数据库访问技术和s q l 结构化查询语言建立 前台数据库界面与后台数据库的连接关系，通过应用程序按钮实现后台数据库 数据的显示、修改、增加、删除操作。 ( 4 ) 应用o p e n g l 图形程序编程接口，在网格整体正确显示的基础上，显 示充型过程中指定时刻的速度场，并以动画的形式动态显示充型过程中速度场 的变化；研究凝固过程的温度场计算结果显示方法，根据o p e n g l 的颜色值的 设定和铸件温度场的特点，按温度的差异给每个单元网格分配不同的颜色，实 现凝固状态显示图及凝固过程动画显示。 ( 5 ) 研究网格插值显示算法，使具有不同颜色的顶点间的颜色平滑过渡， 色温图在各单元间颜色变化平缓；研究铸件内部数据场分布情况的显示方法， 通过绘制任意剖面彩色云图来反映场量值在铸件剖切面上的规律。 武汉理1 人学坝十学协论文 第2 章数据库技术理论研究 2 】s q ls e r v e r 数据库的特点 s q ls e r v e r 是美国m i c r o s o f t 公司，r 发的用于大规模联机串务处理( o l t p ) 、 数据仓库和屯了商务应用的数据库和数据分析平台口”，关系型数据和结构化数 据应用s q ls e r v e 数据库引擎提供的安全可靠的存储功能，可以构建和管理用于 业务的高性能数据应用程序。 s q l s e r v e r 经过不断改进，系统功能得到不断增加，管理数据信息具有便捷 性、可用性、安全性及可伸缩性等特点，使管理和部岩信息数据以及数据分析 程序变得更加简易。 如图2 一i 为s q l s e r v e r 数据库管理界面，表2 1 是s q ls e r v e r 的发展过程。 一- 一 ：19d q 日。目口凹w w 一一一一“一；- - m z m _ 、。墓 | | 删 i i r ，o 砷tj 1 由i 圄x 咛国日瞳， i 如日啦岛 #j曲s i ln 哺 j o 暗嚣似圆国留 5 挈淞篙* r “ ! 舀要= 裟等 - j 自e n r ) 口酋毡b 一 日口0 * 女蛐 日u “ 日u _ ( t 女* 日u “似h 日u “ 日um 曲 口h 日0 豳 日h i 岫 e 口k e f e 口怕啪t 自口9 “m 日o 日口x * 一 e 口liu lz 圈2 - 1s q ls e r v e 界面 武汉理t 大学硕十学位论文 表2 1s q ls e r v e r 的发展过程 时间版本 主要变化 s q ls e r v e r 1 9 8 8 年 由s y b a s e 公司和m i c r o s o f t 公司共同开发，为o s 2 操作系统平台设计 第一个版本 1 9 9 5 往6 0 版 极大地改善了数据库的性能，提供内置的复制功能，实现了中央管理 1 9 9 6 年 6 5 版对原版本中的问题进行了改善，捉供了一些新功能 1 9 9 7 年6 5 企业版 强化企业的应用功能 1 9 9 8 年7 0 版 优化数据库的引擎 2 0 0 0 年2 0 0 0 版提高对电f 商务和数据仓库的支持 采用表和索引数据分区技术，增强了可编程性，从数据库转变为整合数 2 0 0 5 年2 0 0 5 版 据分析服务的数据平台 s q ls e r v e r 数据库主要特点有：良好的图形用户接e l ，使系统管理和数据库 管理更加直观、简单；支持多种开发平台，即开发人员几乎可以用现在有的任 何开发平台编写应用程序来访问s q ls e r v e r ；支持远程管理，无论s q ls e r v e r 服务器与数据管理人员相距多远，数据库管理及开发人员均可通过网络使用企 业管理器来管理的s q ls e r v e r 服务器；通过查询能够支持决策支持系统、数据 仓库o l a p ( o n l i n e a n a l y t i c a lp r o c e s s i n g ) 应用程序中的大型数据库和复杂的查 询；与w i n d o w sn t 2 0 0 0 系统紧密集成，利用了n t 的许多功能，如发送和接 受消息，管理登陆安全性等。因此具有良好的性能和伸缩性；支持w e b 技术应 用，使用户容易将数据库中的数据发布到w e b 页面上。 s q ls e r v e r 查询分析器增强，查询分析器提供了对象浏览器，可以在该对象 浏览器中查看所有的数据库对象，包括表、视图、存储过程、函数等。除了可 以查询执行计划外，还增加了服务器跟踪和查看客户机状态的功能【2 4 1 。 s q ls e r v e r 还增强了备份与恢复功能，实现了一个更容易理解的备份与恢复 选项模式。s q ls e r v e r 还支持恢复到事务日志中的某个特定的标记点，以及部分 数据库的恢复。 2 2 数据库访问接口及封装模块 ， 开发数据库应用程序的编程软件有很多，常用的编程环境有v i s u a ls t u d i o 、 d e l p h i 和v i s u a lb a s i c 等。v i s u a lc 从4 0 版本开始就对数据库方面的应用和开 7 武汉理j ：人学硕十学位论文 发提供了良好的支持；后续版本的v c 开发功能则更加强大，对数据库支持也上 升到一个新高度。所以本文采用v i s u a lc + + 6 0 来开发铸造模拟数据库管理程序， 其开发的应用程序具有速度快、占用系统资源少的特点。 v c + + 开发环境提供多种的数据访问技术来编写应用程序，对后台数据库如 s q l s e r v e r 、m i c r o s o f ta c c e s s 、m i c r o s o f tf o x p r o 等进行操作，这些功能的实现 得益于它提供了开放数据库连接( o d b c ) 、数据访问对象( d a o ) 、对象链接和 嵌入式数据库( o l ed b ) 和活动数据对象( a d o ) 四种数据库访问接口，应用 程序通过数据库访问接口可以直接操作以上各种类型的数据源。 2 2 1 开放数据库连接( 0 d b c ) o d b c ( 开放数据库互连) 是微软开放服务结构中提供应用程序访问数据库 的接口，用于访问数据在异类环境中的关系和非m i c r o s o f t 的战略界面的关系数 据库管理系统。它提供用于数据库访问的应用程序编程接口( a p i ) ，这些a p i 接口利用s q l 来完成数据库操作的任务。 o d b c 技术使得应用程序对数据库的访问不依赖数据库管理系统，保证数 据库的独立性，以统一的方式处理如a c c e s s 和s q ls e r v e r 等所有的数据库， 从而避免o d b c 应用程序直接与数据源打交道，如图2 2 。 图2 2 配置o d b c 数据源管理器访问多种数据库 o d b c 的最大优点是以统一的方式处理所有的数据源，所有的数据库操作 由对应的数据库管理系统( d b m s ) 的o d b c 驱动程序完成。o d b c 访问数据 8 武汉理 ：人学硕十学位论文 库必须通过驱动程序管理器与数据库交换信息，o d b c a p i 不能直接去访问数据 库。驱动程序管理器负责将应用程序对o d b ca p i 的调用传递给相应的驱动程 序，然后由驱动程序执行完相应的操作后，将结果通过驱动程序管理器返回给 应用程序，如图2 3 。 应用程序 o d b c 接口 i l o d b c 驱动管理器 o d b c 驱动o d b c 驱动 程序1程序2 p 据司亭据源刁 图2 - 3o d b c 的体系结构图 o d b c 使用层次的方法来管理数据库，在数据库通信结构的每一层，对可 能出现依赖数据库产品自身特性的地方，o d b c 都引入一个公共接口以解决潜 在的不一致性，从而很好地解决了基于数据库系统应用程序的相对独立性。 微软于1 9 9 1 年宣布了o d b c 开放数据库互连方案，并很快推出商用版本。 它包括标准的错误代码集、标准的连接和登录d b m s 方法、标准的数据类型表 示等。基于o d b c 的开放性和用户程序较高的互操作性，其为程序集成提供了 很大的便利，是开发客户机h a 务器模式数据库系统的一项重要技术。 2 2 2 数据访问对象( d a o ) d a o ( 数据访问对象) 使用m i c r o s o f tj e t 数据库引擎来访问数据库，数据 9 武汉理l ：人学硕+ 学位论文 库引擎存在于应用程序和数据库资源文件之间，它适用于单系统应用程序或小 范围本地分布使用。把用户程序和j 下在访问的特定数据库隔离开来，从而实现 应用程序对数据库的“透明”操作，如图2 4 。 虽然d a o 的功能与o d b c 非常相似，但它们访问数据库的机制是完全不同 的。o d b c 访问数据库时必须依赖于数据库制造商提供的驱动程序，需要一定 的部件支持，而d a o 就克服了这些缺陷，它不需要登入数据源，直接利用 m i c r o s o f tj e t 引擎提供的数据库访问对象集，而仅需指定数据库文件的存放路径。 由于a c c e s s 数据库本身就是基于j e t 引擎，因此d a o 访问接口对a c c e s s 数据库 具有良好的支持。 v b 的用户界面和程序代码 1 l i。a 。数据库引擎 1r l 后台数据库 图2 4d a o 访问接口的体系结构 d a o 是一个分层的面向对象的数据访问模式，它把数据库的操作分为若干 层次，每一个层次为一类对象。要使用d a o ，首先必须把d a o 对象加载到工 程中，加载方法为：执行【工程】_ 【引用】命令，所示的“引用”对话框，在该 对话框中选中相应的m i c r o s o f td a o 对象库。 2 2 3 对象链接和嵌入式数据库( o l e d b ) o l e d b ( 对象链接和嵌入数据库) 是微软面向不同的数据源的低级应用程 序接口，是基于c o m 接口的一种新数据库访问技术。它不仅包括微软资助的 标准数据接i = 1 开放数据库连通性( o d b c ) 的结构化问题语言( s q l ) 能力，还 具有面向其他非s q l 数据类型的通路，如图2 - 5 。 1 0 武汉理丁大学硕十学位论文 泓 视图1视图2 i 基本表 基本表基本表基本表 存储文件1存储文件2 图2 5s q l 三级模式结构图 o l e d b 接口可以访问关系型和非关系型数据库等各种的数据源，小到普通 的文本文件、大到服务器上的复杂数据库，或者是电子邮件数据和w e b 上的文 本或图形，甚至支持用户自定义的商业对象。 o l e d b 的核心内容就是使数据的使用者可以不用考虑数据的具体存储地 点、格式或类型，使用其提供一种相同的访问接口来访问各种的数据存储类型 的数据库。因此o l e d b 接口具有标准性和较好的稳定性，提高了数据库访问 效率，利用o l ed b 数据库访问接口开发的应用程序具有较好的移植性。 虽然o l e d b 功能很强，但由于它属于数据库访问技术中的底层接口，使 用起来非常复杂，程序员必须掌握c o m 技术的底层原理，因此o l e d b 数据库 接口没有得到广泛的推广应用。基于此，微软公司把o l e d b 同样以c o m 技术 封装成了a c t i v e x 数据对象( a d o ) ，它包含了o l e d b 大部分的功能，并简化 了数据存取过程，因此越来越多的程序员在开发基于c o m 技术的数据库时通 常使用a d o 技术而不是o l e d b 。 2 2 4a d o 数据库访问技术 a d o ( a c t i v e x 数据对象) 数据库访问技术是目前最为流行的一种数据库编 程方案，它是基于o l e d b 的访问接口，提供给开发程序一个中间层用一致的 格式去访问o l e d b 。a d o 是微软新的通用数据存取框架，它包含了数据库访 问对象( d a o ) 、远程数据对象( r d o ) 及几乎所有其他数据存取方式的全部功 能。 武汉理i ：人学硕十学位论文 a d o 可以很容易的与各种类型的数据库连接，吸取了各种数据库访问技术 的优点。a d o 对o l ed b 的包装是相当成功的，其对象模型简明扼要，没有一 点多余的东西。它一方面继承o l e d b 诸多优点，一方面又极大简化了o l e d b 的操作过程【2 4 】，用户利用a d o 可以方便访问关系型数据库，也能访问非关系型 数据库，例如a c c e s s 、s q ls e r v e r 、o r a c l e 等数据源，如图2 - 6 。 图2 - 6a d o 数据库访问接口模型 a d o 不仅面向v i s u a lc + + ，同时还提供面向其他如v i s u a lb a s i c 开发工具的 应用，甚至还提供面向诸如v b s c r i p t 、j a v a s c r i p t 等脚本语言的应用。 a d o 的底层是o l ed b ，基于a d o 的应用程序与数据源之间的层数最少， 因此它可以说是目前访问数据库最快的中间层【2 5 1 。 2 2 5 各类数据库访问接口的特点 o d b c 是一种底层的访问技术，使用比较简单，只需在o d b c 数据源管理 器配置相应的数据源，客户应用程序即可使用o d b ca p i 在底层设置和控制数 据库，完成一些高级数据库技术无法完成的功能；但o d b c 有其局限性，只能 访问关系型数据库，很难访问非关系型数据库或面向对象类型的数据库，见表 2 2 数据库访问接口特点一览表；o d b c 还有一个缺点是可移植性差，当应用程 1 2 武汉理丁大学硕十学位论文 序从一个系统移植到另外一个系统时，需要移动相应的部件并在o d b c 数据源 管理器重新配置数据源。 表2 2 四种数据库访问接口特点一览表 接口类型应用性运行性能对非关系型数技术层次 据库支持 o d b c差一般否 底层 d a o 好一般能高层 o e l d b 较难同能底层 a d o最好高能高层 d a o 提供了一种通过程序代码创建和操纵数据库的机制。最大特点是对 a c c e s s 数据库的操作很方便，而且是操作此类数据库性能最好的技术接口之一。 但后续d a o 版本与j e t 数据库引擎之间的出现了兼容性问题。尽管如此，d a o 技术仍然得到较广泛的应用，它可以访问从文本文件到大型后台数据库等多种 数据库。 a d o 是基于o l e d b 的访问接口，它是面向对象的o l e d b 技术，o l e d b 属于技术复杂的底层接口。a d o 继承了o l e d b 对数据库访问速度快、效率高 的优点，同时解决了o l e d b 使用的复杂性难题。 2 3基于a d o 和v c + + f l , 0 数据库应用程序开发 2 3 1a d o 对象模型概要 a d o 对象模型定义了一个可编程的分层对象集合，规范了一个顺序执行的 操作和类、对象来实现访问、编辑、更新数据源。图2 7 是a d o 模型中的对象 示意图，灰色表示对象，白色的表示集合。从图中可以看出，a d o 模型包含了 7 个对象和4 个集合【2 6 1 ，对象模型主要由三个对象成员c o n n e c t i o n 、c o m m a n d 和r e c o r d s e t 对象，以及几个集合对象e r r o r s 、p a r a m e t e r s 和f i e l d s 等所组成。 武汉理i ：人学硕十学 _ 7 ：论文 ! 竺竺兰! ! ! ! i 叵 4。p。ro。p。e。r。t。i。e。s c o m m a n d 5 二忑习n 磊 p r o p e r t i e shp r o p e r t y 图2 - 7a d o 对象模型 a d o 对象模型中比较重要的对象和集合： ( 1 ) 连接对象( c o n n e c t i o n ) 用来与数据源建立连接、执行查询以及建立 事务处理，任何数据库的操作都必需在连接基础下进行，它是进行数据查询和 更新的前提条件。c o n n e c t i o n 对象保存诸如了指针类型、连接字符串、查询超时、 连接超时和缺省数据库等连接信剧2 7 j 。 ( 2 ) 命令对象( c o m m a n d ) 通过向c o n n e c t i o n 对象发出指令传送到数据 库，可以对数据库进行新增、删除或是修改资料等变动处理，或者在数据表中 检索数据。c o m m a n d 对象在定义查询参数或执行一个有输出参数的存储过程时 非常有用。 ( 3 ) 记录集对象( r e c o r d s e t ) ：r e c o r d s e t 对象用来操作已连接的数据库， 提取符合特定条件的数据内容得到的记录集，或者是c o m m a n d 对象的执行结果 返回的记录集。使用记录集对象可以在结果集中添加、删除、修改和移动记录， 所有对数据的操作几乎都是通过记录集对象完成的，r e c o r d s e t 是查询和修改数 据库记录的最主要手段【2 引。r e c o r d s e t 对象代表一个记录集可以是某个数据表的 1 4 熹 武汉理 人学硕十学位论文 一部分或全部内容，也可以是数据库中多个关系类型数据表的集合。 2 3 2v c 十+ 下使用a d o 编写数据库程序的步骤 v c + + 下使用a d o 编写数据库程序的步骤如下1 2 9