（机械设计及理论专业论文）液—固挤压成形复合材料仿真平台的设计与实现.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 作为一种由液态金属直接成型复合材料管、棒材类制件的新工艺，液态浸渗一 半 固态挤压工艺具有工序少、能耗小、成本低、见效快等特点， 在汽车、建筑、民用 乃至航空、航天等领域有着广泛的应用前景。液一固挤压复合材料成形工艺本身是 集凝固、热传导和塑性变形为一体的复杂过程，目 前主要从系统建模、工艺参数预 测、工艺参数优化、数值模拟和缺陷预测等方面进行研究。这些研究各成体系， 研 究中所使用的几种软件难以 兼容， 很难从整体上分析各功能模块之间的关系及影响， 给该工艺进行全面深入的分析与研究带来了困难。本文在对液一固挤压复合材料工 艺研究方法和原理进行深入分析的基础上，建立了液一固挤压复合材料工艺仿真平 台， 集成了本课题的主要研究成果，使各模块之间通过界面接口 集成到一起，该平 台对今后研究内容还具有扩展能力，进而能够满足工艺研究不断发展的需求。 本文利用软件体系结构思想设计了三层结构的液一固挤压复合材料工艺仿真平 台 框架， 采用 4 +1 ” 视图方法和u m l 结合的方式对液一固挤压复合材料工艺仿真平 台的软件体系进行了描述。 将液一固挤压工艺研究过程中用到的系统建模模块、参数预测模块、参数优化 模块、 网络验证模块封装成c o m组件， 并利用界面接口 将这些组件集成到仿真平台 中。通过这种开发模式，为液一 固挤压工艺的进一步更新换代和功能扩展提供了一种 新的途径。 本文采用v i s u a l c 十 + 和a p d l 将液一固挤压工艺的浸渗过程仿真集成到液一固 挤压复合材料的仿真平台中。通过这种方式既简化了研究过程中的操作又充分利用 了己 有的 研究 成果。 并在此基 础上定制后处理， 使用户 可以 方便和形象地进行浸渗 过程的仿真工作。 本 文 采 用s q l s e r v e r 2 0 0 0 建 立 液一 固 挤压 成形复 合 材 料 工艺 数 据库， 实 现工艺 参数科学存储， 减少数据冗余。 采用a d o技术实现仿真平台对该工艺数据库管理和 使用，为今后工艺研究过程方便和合理选取工艺参数奠定了 基础。 关键词:液固挤压仿真平台 软件体系结构 组件技术 仿真模拟 数据库 4 国 家自 然科学 基金( 5 0 1 7 5 0 9 1 ) 和国 防预 研基金 ( 5 1 4 1 2 0 1 0 3 0 4 h k 0 3 3 9 ) 资 助项目 西北工业大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h e l i q u i d i n f i l t r a t i o n - e x t r u s i o n t e c h n o l o g y , a s a n e w f o rm i n g m e t h o d w h i c h p r o d u c e s t h e c o m p o s i t e t u b e s , b a r s , a n d o t h e r s h a p e d p r o d u c t s d i r e c t l y f r o m l i q u i d m e t a l , h a s b e e n d e v e l o p e d i n r e c e n t y e a r s w i t h a p r o m i s i n g p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n p r o s p e c t i n f i e l d s o f a u t o m o b i l e , a r c h i t e c t u r e , a v i a t io n a n d s p a c e fl i g h t , f o r i t s s i m p l e w o r k i n g p r o c e d u re , l o w c o s t a n d g o o d w o r k p ie c e p e r f o r m a n c e . t h e l i q u i d i n fi l t r a t i o n - e x t r u s i o n t e c h n o l o g y w h i c h in t e g r a t e s s o l i d i f i c a t i o n , t h e r m a l c o n d u c t i o n , a n d l a r g e p l a s t i c d e f o r m a t i o n i s a c o m p l e x p r o c e s s . s o f a r , s y s t e m m o d e l i n g , p r o c e s s i n g p a r a m e t e r p r e d i c t i n g , p r o c e s s i n g p a r a m e t e r o p t i m i z i n g , p r o c e s s s i m u l a t i n g a n d d i s f i g u r e m e n t p r e d i c t i n g h a d m a in l y b e e n r e s e a r c h e d . t h e s e r e t u rns w e r e s e p a r a t e l y , a n d t h e d i ff e r e n t s o ft w a r e s , w h i c h w e r e u s e d t o s t u d y t h e p r o c e s s , w e r e t h e d i f fi c u l t t o h a n d l e t o g e t h e r . t h e s e l e a d t o n o t h a r m o n i z i n g t h e r e l a t i o n s o f t h e d i ff e r e n t f u n c t i o n a l m o d u l e s a s a w h o l e , a n d n o t a v a i l a b l y p u tt i n g t h e s e r e t u rns i n p r a c t i c e u s e . o n t h e b as e o f a n a l y z i n g t h e r e s e a r c h t e c h n i q u e a n d m e t h o d s o n t h e l i q u i d i n f i l t r a t i o n - e x t r u s i o n p r o c e s s f o r f a b r i c a t i n g m m c , t h e p a p e r b u i lt t h e s i m u l a t i o n p l a t f o r m o n t h e l i q u i d i n f i l t r a t i o n - e x t r u s i o n p r o c e s s f o r f a b r i c a t i n g m m c , w h i c h n o t o n l y c o n c e a l e d m o s t o f t h e r e s u l t s b u t a l s o p o s s e s s e d t h e a u g m e n t - a b i l i t y f o r t h e f u r t h e r s t u d y . t h e如p e r p u t f o r w a r d t h e a r c h i t e c t u r e o f t h e s i m u l a t i o n p l a t f o r m o n t h e l iq u i d in f i lt r a t i o n e x t ru s i o n p r o c e s s f o r f a b r ic a t in g m m c w h ic h w a s t h r e e - la y e r c o n s t r u c t io n b y u t i l i z in g t h e t h o u g h t o f s o ft w a r e a r c h i t e c t u r e . t h e p a p e r f i r s t l y d e s c r i b e d t h e s o ft w a r e a r c h it e c t u r e o f t h e s i m u l a t i o n p l a t f o r m o n t h e l i q u i d i n f i l t r a t i o n e x t r u s i o n p r o c e s s f o r f a b r i c a t i n g m mc b y m o d e o f c o m b i n i n g t h e 4 + l v i e w a n d t h e u ml . t h e p a p e r b u i lt r e s p e c t i v e l y t h e c o m p o n e n t o b j e c t m o d e l s f o r m o d e l s e t t i n g , p r o c e s s i n g p a r a m e t e r p r e d i c t i n g , p r o c e s s i n g p a r a m e t e r o p t i m i z i n g a n d n e t w o r k v e r i f y i n g w h i c h w e r e u s e d i n t h e p r o c e s s o f t h e s t u d y i n g t h e l iq u i d i n f i l t r a t i o n - e x t r u s i o n t e c h n o l o g y . t h e p a p e r i n t e g r a t e d t h e s e c o m p o n e n t s i n t o t h e s i m u l a t i o n p l a t f o r m b y t h e u s e r i n t e r f a c e . t h e f u n c t i o n s a r e h a n d l e d c o n v e n i e n t l y b y t h e s e fr i e n d l y u s e r i n t e r f a c e s . t h e d e s i g n p a tt e rn l i k e t h a t p r o v i d e d a n e w m e t h o d t o t h e s t u d y i n g t h e l i q u i d i n f i l t r a t i o n - e x t r u s i o n t e c h n o l o g y f o r f u r t h e r . t h e s i m u l a t i o n p l a t f o r m i n t e g r a t e d t h e s i m u l a t i o n p r o c e s s o f in f i l t r a t i o n i n t h e l i q u i d in f i l t r a t i o n e x t r u s i o n t e c h n o l o g y b y c o m b i n i n g t h e v i s u a l c + + a n d a p d l f i l e . t h r o u g h t h i s m a n n e r , t h e p l a t f o r m n o t o n l y s i m p l i f i e d h a n d l i n g t h e s t u d y i n g p r o c e s s , b u t a l s o m a d e u s e o f t h e r e t u rns a b u n d a n t l y . b a s e d o n i t , t h e c u s t o m i z e d p o s t - p r o c e s s i n g m a d e t h e s i mu l a t i o n w o r k mo r e v i s u a l a n d mo r e c o n v e n i e n t . t h e p a p e r b u i l t t h e t e c h n i c a l d a t a b as e f o r t h e l i q u i d i n f i l t r a t i o n e x t r u s i o n p r o c e s s f o r f a b ri c a t i n g m m c , i n o r d e r t o s t o r a g e p r o c e s s p a r a m e t e r s s c i e n t i f i c a l l y a n d re d u c e t h e d a t a r e d u n d a n c y . t h e p a p e r a c h i e v e d m a n a g i n g a n d u s i n g t h e d a t a b as e . t h e a u t h o r s w o r k la y a f o u n d a t io n f o r t h e r e a s o n a b l e c h o o s e o f t h e p r o c e s s p a r a m e t e r s i n t h e f u t h e r . k e y w o r d : ar c h i t e c t u r e s i mu l a t i o n p l a t f o r m o n c o m p o n e n t t e c h n i q u e th e l iq u id i n f il t r a t i o n - e x t r u s i o n p r o c e s s s o f t w a r e s i mu l a t i o n da t a b a s e 令f u n d e d b y t h e n a t i o n a l n a t u r e f u n d , n a t i o n a l d e f e n c e b u d g e t 西北工业大学硕士学位论文 第 . 章 绪论 第1 章 绪论 1 . 1 引言 本文旨在将软件体系结构的理论知识用于搭建液一固挤压成形复合材料仿真平 台， 并运用c o m组件技术， 对液一固 挤压成形复合材料研究过程中的系统建模模块、 系统优化模块和参数预测模块进行封装， 通过对a n s y s 软件进行二次开发与仿真平 台 进行无缝连接，对成形工艺过程的仿真模块进行集成，以期利用该仿真平台降低 对该工艺研究的难度，整合研究成果，从而达到指导该工艺进入大批量生产阶段的 目的。 液一 固挤压复合材料( 又称液态浸渗挤压) 工艺是近年来开发的一种复合材料成形 新工艺 d l ， 其实 质是在 压力作 用下 促使液态基体金 属 均匀 渗入纤维预制体中， 并 发生 压力下结晶凝固，利用金属准固态期间变形抗力低、 容易流动的特点，对其进行塑 性 变 形，由 液态 金属 直 接成 形出 复合 材料管、 棒、 型 材 12 4 1 。 该工艺 具有 工 序少 ， 成 本低， 生产周期短，复合材料制件性能优良 等特点， 在汽车、建筑、民用乃至航空、 航天等领域均具有广泛的应用前景(5 l 然而，由于液态浸渗挤压过程涉及高压浸渗、结晶凝固、热传导和大塑性变形 等诸多方面，与常规的复合材料成形过程有很大区别，要成形理想的复合材料管、 棒、 型 材， 必 须 解决 工艺 参 数 的 选 取及协 调 匹 配问 题 (6 -8 1 。 但是到目 前为 止， 对 工 艺 参数选取、优化、仿真等问 题的研究成果不能做到相互引用，给该工艺进行全面深 入的分析与研究带来了困难。为了 解决上述难题， 本文建立液一固挤压成形复合材 料仿真平台，该平台可保证工艺研究顺利进行， 对该工艺进入实际生产有重要意义。 1 .2 相关领域的发展现状 1 .2 . 1 液一 固挤压成型复合材料工艺特点与 研究 现状 液固挤压工艺是在液态模锻理论和实践的基础上与传统的挤压工艺融合而发展 起来的一种金属成形新工艺。它主要是利用金属准固态期间变形抗力低、容易流动 的 特点 对 其进 行大 塑 性 变 形， 从 而一 次 成形出 复 合 材 料 管、 棒等 型材 19 ;10 1 。 其 成形 过 程 ( 图 1 . 1 ) 为; 将 预制体放入 挤压筒内. 然后 将液 态 金 属 浇入 挤压筒， 紧接 着凸 模 下 行并对液态金属进行施压， 然后保压，使液态金属均匀浸入纤维预制体中，随后凸 模下行并施以高压，使金属发生压力下流动、凝固，准固态金属通过成形模具的成 形口 时 承受断面减缩引 起的 大 塑性变形， 从而 挤出 制 件。 文献 1 1 经过研究发现利 用 该工艺成形的制件既具有压力下结晶凝固的特征，又带有大塑性变形的特征，制件 的强 度、塑性、韧性指标均得到显著提高。 】 。 西北工业大学硕士学位论文 第 . 章 绪论 第1 章 绪论 1 . 1 引言 本文旨在将软件体系结构的理论知识用于搭建液一固挤压成形复合材料仿真平 台， 并运用c o m组件技术， 对液一固 挤压成形复合材料研究过程中的系统建模模块、 系统优化模块和参数预测模块进行封装， 通过对a n s y s 软件进行二次开发与仿真平 台 进行无缝连接，对成形工艺过程的仿真模块进行集成，以期利用该仿真平台降低 对该工艺研究的难度，整合研究成果，从而达到指导该工艺进入大批量生产阶段的 目的。 液一 固挤压复合材料( 又称液态浸渗挤压) 工艺是近年来开发的一种复合材料成形 新工艺 d l ， 其实 质是在 压力作 用下 促使液态基体金 属 均匀 渗入纤维预制体中， 并 发生 压力下结晶凝固，利用金属准固态期间变形抗力低、 容易流动的特点，对其进行塑 性 变 形，由 液态 金属 直 接成 形出 复合 材料管、 棒、 型 材 12 4 1 。 该工艺 具有 工 序少 ， 成 本低， 生产周期短，复合材料制件性能优良 等特点， 在汽车、建筑、民用乃至航空、 航天等领域均具有广泛的应用前景(5 l 然而，由于液态浸渗挤压过程涉及高压浸渗、结晶凝固、热传导和大塑性变形 等诸多方面，与常规的复合材料成形过程有很大区别，要成形理想的复合材料管、 棒、 型 材， 必 须 解决 工艺 参 数 的 选 取及协 调 匹 配问 题 (6 -8 1 。 但是到目 前为 止， 对 工 艺 参数选取、优化、仿真等问 题的研究成果不能做到相互引用，给该工艺进行全面深 入的分析与研究带来了困难。为了 解决上述难题， 本文建立液一固挤压成形复合材 料仿真平台，该平台可保证工艺研究顺利进行， 对该工艺进入实际生产有重要意义。 1 .2 相关领域的发展现状 1 .2 . 1 液一 固挤压成型复合材料工艺特点与 研究 现状 液固挤压工艺是在液态模锻理论和实践的基础上与传统的挤压工艺融合而发展 起来的一种金属成形新工艺。它主要是利用金属准固态期间变形抗力低、容易流动 的 特点 对 其进 行大 塑 性 变 形， 从 而一 次 成形出 复 合 材 料 管、 棒等 型材 19 ;10 1 。 其 成形 过 程 ( 图 1 . 1 ) 为; 将 预制体放入 挤压筒内. 然后 将液 态 金 属 浇入 挤压筒， 紧接 着凸 模 下 行并对液态金属进行施压， 然后保压，使液态金属均匀浸入纤维预制体中，随后凸 模下行并施以高压，使金属发生压力下流动、凝固，准固态金属通过成形模具的成 形口 时 承受断面减缩引 起的 大 塑性变形， 从而 挤出 制 件。 文献 1 1 经过研究发现利 用 该工艺成形的制件既具有压力下结晶凝固的特征，又带有大塑性变形的特征，制件 的强 度、塑性、韧性指标均得到显著提高。 】 。 西北工业大学硕士学位论文 第 】 章 结论 ( a )浇注 ( b ) 浸渗( c ) 挤压 图 1 . 1液固挤压复合材料棒材 _ 艺过程简图 1 .顶杆 制件6 2 . 成形模 加热装置 纤维预制体4液态金属 挤压筒3 冲头9芯轴 通过研究者的不断的努力，已经取得了初步的成果。在材料组织性能研究方面: 文 献 1 2 通 过实验研究了 液态 浸渗 后 直 接挤压工艺制备的 氧 化铝短纤维 增强基复 合 材 料a l, 乌 sf i a l 的 组 织， 表明 液 态 浸 渗 后 直 接 挤 压 工 艺 具 有 消 除 缺 陷、 强 化 基 体 改 善 纤 维 分 布 并 避 免 纤 维 在 成 形 过 程 中 的 破断 与 损 伤 等 优 点 1x 1 。 文 献 1 3 - 1 4 探 讨 了 液 态 挤 压a 1 , 仇i l y 1 2 复 合 材 料的 组 织与 性能 特征及 相 互 之间 的 关系。 由 于该 - l 艺随 着液态金属和凝固态金属的大塑性变形，导致出现纤维沿变形方向的组织特征，由 此在该方向增强效果明显;说明采用液态挤压方法可制备出高性能短纤维增强铝基 复 合 材 料 管 、 棒 制 件 13 ;14 1 。 文 献 3 -4 通 过 大 量 试验 ， 对a i- s i 合 金 和z a 合 金 经 液 态 挤压工艺后的微观结构和性能进行了分析，表明这些合金经液态挤压后各项性能指 标均 得以 大幅度提高 1 3 .4 1 在过 程参数研究方面， 文 献 3 通过对铝、锌合金管棒材的液态挤压工艺研究， 探 索 了 成 形 过 程 参 数 对成 形 过 程 的 影 响 13 1。 文献 1 5 实 验 测 定 分 析了 液态 浸 渗 后 直 接 挤压过程的冲头载荷与位移关系曲线及它们各自随时间的变化，指出了不同工艺条 件下所获得的载荷一位移曲线存在很大差异的原因，揭示了工艺参数对液态浸渗后 的 挤 压 过 程 性 质 有 着 决定 性 作 用 1 5 1 。 文 献 7 , 工 6 基 于 神 经 网 络以 及 补 偿 模 糊 神 经网 络建立了液. 固挤压复合材料工艺系统模型 ( 包括多输入、单输出系统和多输入、双 输出系统模型)和工艺参数知识库，可以对关键工艺参数进行预侧，为工艺过程优 化与控制奠定了基础。采用f n n / g a方法建立了液一固挤压复合材料工艺的多目 标 优化模型 成形出 质量优良 的复合 材料制件7 ; 1 6 1 在数 值模 拟方面， 文 献 5 采用 有限 差分 法对工艺过 程的 温度 变 化和 凝固 过 程进 行 了 模 拟 ， 使 凝 固 过 程 中 不 同 时 刻 、 不 同 状 态 的 温 度 场 得以 直 观 显 示 1 5 1。 文 献 8 , 1 7 根据稳定的交替方向隐式 ( a s d i )有限差分法、上限元法 ( u b e t )等数值计算方 西北工业大学硕士学位论文第 1 章 绪论 法得出一种数值模拟方法，成功模拟了金属液态挤压的工艺过程，并采用计算机生 成 的 动 画 直 观 地 表 现了 工 件的 整 个 成 形 过 程 8 ;1 7 。 文 献 1 8 采 用自 编 的 软 件 模 拟了 液 态挤压浸渗成形过程温度场、应力和应变场，首次得到液态浸渗挤压过程的温度、 应 力 和 应 变 场 及 变形 力 分 布 规 律 1 8 1。 文 献 1 9 成 功 地 运 用 有 限 元 分 析 软 件 解 决 了 集 高 压浸渗、热传导、凝固和大变形为一体的液态浸渗挤压工艺过程的数值模拟问题， 为该工艺的参数优化和实际应用提供了 理论依据 1 9 1 在采用面向对象编程技术，实现既便于操作又能集成前期研究成果的液一固挤 压复合材料工艺仿真平台方面，目 前研究 状况 文献 2 0 开发了 基于v i s u a l c + + , ma t l a b 及a c c e s s程序的工艺应用软件， 该软件可以实现系统建模、 参数预测和参数 优 化 2 0 1 。 文 献 【 2 1 利 用c + + b u i ld e r 开 发 了 集 数 据 采 集 程 序 和 过 程 控 制 于 一 身 的 软 件 2 1 1 。 这些软件系统虽为液一固挤压工艺进入实际应用奠定了 一定的基础，但它们自 身缺少封装性和扩展性，不能满足工艺研究不断发展的需求。 由于液态浸渗挤压工艺涉及结晶凝固、热传导、大塑性变形等诸多方面，实际 操作较为困难， 目 前， 液一 固挤压复合材料的理论及应用研究仍然停留在实验室阶段。 因此，如何将该工艺应用于工业生产，创造出应有的经济效益，一直是该领域工作 者努力探索的研究课题。 1 . 2 . 2软件体系结构技术及其应用现状 软件体系结构是根植于软件工程中发展起来的一门新兴学科，目前已经成为软 件 工 程 研究 和实践的 主要领 域2 2 ;2 3 1 。目 前， 软 件体 系 结构 领 域研 究非 常活 跃， 如南 加州大学专门成立了软件体系结构研究组，曼彻斯特大学专门成立了软件体系结构 研究所。同时，业界许多著名企业的研究中心也将软件体系结构作为重要的研究内 容 2 4 -2 6 1 。 如由i b m, n o k i a 和a b b 等企 业 联 合一 些 大学 研究 嵌 入 式系 统的 体 系结 构 项目 。 国 内 也 有不少的 机构 在从 事 软 件 体 系结 构方 面的 研究 2 ， 一 ! ， 如 北京 大学 软 件 工程研究所一直从事基于体系结构软件组装的工业化生产方法与平台的研究，北京 邮电大学则研究了电信软件的体系结构，国防科学技术大学推出的 c o r b a规范实 现平台为体系结构研究提供了基础设施所需的中间件技术。 现有软件体系结构的研究活动，主要包括软件体系结构描述语言、体系结构描 述结构与表示、体系结构分析设计与验证、体系结构发现演化与重用、基于体系结 构的 软 件开 发方法、 特定领域的 体系 结构框架和软 件产品线 体系结构等方面3 0 ;3 1 1 体系结 构 描述语言 ( a r c h i t e c t u r e d e s c ri p t i o n l a n g u a g e , a d l )， 是 一种语言， 系 统 设计师可以利用它所提供的特性进行软件系统概念体系结构建模，典型的 a d l有 c 2 , w ri g n t . a e s o p 等。 在此 基础上， n e n a d m e d i v i d o v i c 提出 了 一种a d l 的分类和 比 较框架。国内一些学者也提出了比较有特色的a d l ，如北京大学杨芙清院士提出 西北工业大学硕士学位论文第 1 章 绪论 法得出一种数值模拟方法，成功模拟了金属液态挤压的工艺过程，并采用计算机生 成 的 动 画 直 观 地 表 现了 工 件的 整 个 成 形 过 程 8 ;1 7 。 文 献 1 8 采 用自 编 的 软 件 模 拟了 液 态挤压浸渗成形过程温度场、应力和应变场，首次得到液态浸渗挤压过程的温度、 应 力 和 应 变 场 及 变形 力 分 布 规 律 1 8 1。 文 献 1 9 成 功 地 运 用 有 限 元 分 析 软 件 解 决 了 集 高 压浸渗、热传导、凝固和大变形为一体的液态浸渗挤压工艺过程的数值模拟问题， 为该工艺的参数优化和实际应用提供了 理论依据 1 9 1 在采用面向对象编程技术，实现既便于操作又能集成前期研究成果的液一固挤 压复合材料工艺仿真平台方面，目 前研究 状况 文献 2 0 开发了 基于v i s u a l c + + , ma t l a b 及a c c e s s程序的工艺应用软件， 该软件可以实现系统建模、 参数预测和参数 优 化 2 0 1 。 文 献 【 2 1 利 用c + + b u i ld e r 开 发 了 集 数 据 采 集 程 序 和 过 程 控 制 于 一 身 的 软 件 2 1 1 。 这些软件系统虽为液一固挤压工艺进入实际应用奠定了 一定的基础，但它们自 身缺少封装性和扩展性，不能满足工艺研究不断发展的需求。 由于液态浸渗挤压工艺涉及结晶凝固、热传导、大塑性变形等诸多方面，实际 操作较为困难， 目 前， 液一 固挤压复合材料的理论及应用研究仍然停留在实验室阶段。 因此，如何将该工艺应用于工业生产，创造出应有的经济效益，一直是该领域工作 者努力探索的研究课题。 1 . 2 . 2软件体系结构技术及其应用现状 软件体系结构是根植于软件工程中发展起来的一门新兴学科，目前已经成为软 件 工 程 研究 和实践的 主要领 域2 2 ;2 3 1 。目 前， 软 件体 系 结构 领 域研 究非 常活 跃， 如南 加州大学专门成立了软件体系结构研究组，曼彻斯特大学专门成立了软件体系结构 研究所。同时，业界许多著名企业的研究中心也将软件体系结构作为重要的研究内 容 2 4 -2 6 1 。 如由i b m, n o k i a 和a b b 等企 业 联 合一 些 大学 研究 嵌 入 式系 统的 体 系结 构 项目 。 国 内 也 有不少的 机构 在从 事 软 件 体 系结 构方 面的 研究 2 ， 一 ! ， 如 北京 大学 软 件 工程研究所一直从事基于体系结构软件组装的工业化生产方法与平台的研究，北京 邮电大学则研究了电信软件的体系结构，国防科学技术大学推出的 c o r b a规范实 现平台为体系结构研究提供了基础设施所需的中间件技术。 现有软件体系结构的研究活动，主要包括软件体系结构描述语言、体系结构描 述结构与表示、体系结构分析设计与验证、体系结构发现演化与重用、基于体系结 构的 软 件开 发方法、 特定领域的 体系 结构框架和软 件产品线 体系结构等方面3 0 ;3 1 1 体系结 构 描述语言 ( a r c h i t e c t u r e d e s c ri p t i o n l a n g u a g e , a d l )， 是 一种语言， 系 统 设计师可以利用它所提供的特性进行软件系统概念体系结构建模，典型的 a d l有 c 2 , w ri g n t . a e s o p 等。 在此 基础上， n e n a d m e d i v i d o v i c 提出 了 一种a d l 的分类和 比 较框架。国内一些学者也提出了比较有特色的a d l ，如北京大学杨芙清院士提出 西北工业大学硕士学位论文 第 i 章 绪论 的j b / s a d l 、中 科院软件所唐稚松院士提出的x y x / a d l等。在体系结构分析设计 与验证方面， d e b r a等人提出了 一组针对体系结构的测试覆盖标准。 p a l o a i n v e r a d i 提出了一种基于 c h a m 的体系结构语义验证技术。在特定领域的体系结构框架 ( d o m a i n s p e c i f i c s o ft w a r e a r c h i t e c t u r e , d s s a ) 方面，北京邮电 大学周莹新博士提 出了电 信软件的体系结构，北京航空航天大学金茂忠教授等人提出的测试环境的体 系结构。 软件体系结构在实际的软件开发己 经得到了广泛应用，主要涉及的领域有分布 式 计 算、 实 时 系 统、 x w i n d o w系 统、 w in d o w 系统 等 3 2 1 。 在分布 式 计 算 领 域， r a m o s e n d e lj a , v l a d a n d e v e d z i c 将软 件体系结 构中 的 组 件技术应用到模糊计算系统。 在中 文win d o w s 系统开发中，利用己 经成熟的“ 钩子” 体系结构处理汉字输入与显示。胡 文惠，赵文等人将 wi n d o w s d n a应用的三层体系结构应用到电信综合营业系统中 ( 如图1 .2 所示) . 阴晓峰， 谭晶星等人提出了v p a ms 控制系统软件体系结构应用 到车辆动力传动检测和控制过程。针对不同的业务，信息系统的体系结构也不尽相 同， 还 有 一 些 具 体的 例子， 如 财 务f a a 3 3 、 保 险i a a 1 4 )等， 是i b m对 于不同 的 业务 领 域的 应 用 模型， 它们是基于z a c h m a n的 信息 系统的体系结构 3 5 ;3 6 : 另 外， 还有 v a a 3 7 , s d 3 8 ， ， t e le c o m in t e g r a t io n 。 二 ; 】 】 x 2 ，一 ， o t e g r a t io n h u s i 一 ， 一 c ntr.1 ri一 工扮七蛋- 仁璧“ 5 “ o pe r a t io n f u n c t i o n c o m p o n t e n t s +o a t a h o t s p o t ) f u n c t i o n h o t s p o t ) i n t e r c a c c h o t s p o t ) 1 一二 家巨 亚皇 inv ,cccharge manager intrastructare o s ne twor， env ironment 1 ， 】。引 】 jdbms mi d dl e m a r e 图1 .2电 信综合营业系统框架 1 . 2 . 3 c o m组件研究现状及其应用现状 计算机的发明和使用是人类历史上的一次飞跃，它给人类带来的方便是不言而 喻的。同时我们也看到，在使用计算机编程解决实际问题的时候，我们就面临着系 统复 杂性不 断 增加的问 题3 9 1 ，如 今这个复杂性己 经是其它工程领域 所无法比 拟的。 西北工业大学硕士学位论文 第 i 章 绪论 的j b / s a d l 、中 科院软件所唐稚松院士提出的x y x / a d l等。在体系结构分析设计 与验证方面， d e b r a等人提出了 一组针对体系结构的测试覆盖标准。 p a l o a i n v e r a d i 提出了一种基于 c h a m 的体系结构语义验证技术。在特定领域的体系结构框架 ( d o m a i n s p e c i f i c s o ft w a r e a r c h i t e c t u r e , d s s a ) 方面，北京邮电 大学周莹新博士提 出了电 信软件的体系结构，北京航空航天大学金茂忠教授等人提出的测试环境的体 系结构。 软件体系结构在实际的软件开发己 经得到了广泛应用，主要涉及的领域有分布 式 计 算、 实 时 系 统、 x w i n d o w系 统、 w in d o w 系统 等 3 2 1 。 在分布 式 计 算 领 域， r a m o s e n d e lj a , v l a d a n d e v e d z i c 将软 件体系结 构中 的 组 件技术应用到模糊计算系统。 在中 文win d o w s 系统开发中，利用己 经成熟的“ 钩子” 体系结构处理汉字输入与显示。胡 文惠，赵文等人将 wi n d o w s d n a应用的三层体系结构应用到电信综合营业系统中 ( 如图1 .2 所示) . 阴晓峰， 谭晶星等人提出了v p a ms 控制系统软件体系结构应用 到车辆动力传动检测和控制过程。针对不同的业务，信息系统的体系结构也不尽相 同， 还 有 一 些 具 体的 例子， 如 财 务f a a 3 3 、 保 险i a a 1 4 )等， 是i b m对 于不同 的 业务 领 域的 应 用 模型， 它们是基于z a c h m a n的 信息 系统的体系结构 3 5 ;3 6 : 另 外， 还有 v a a 3 7 , s d 3 8 ， ， t e le c o m in t e g r a t io n 。 二 ; 】 】 x 2 ，一 ， o t e g r a t io n h u s i 一 ， 一 c ntr.1 ri一 工扮七蛋- 仁璧“ 5 “ o pe r a t io n f u n c t i o n c o m p o n t e n t s +o a t a h o t s p o t ) f u n c t i o n h o t s p o t ) i n t e r c a c c h o t s p o t ) 1 一二 家巨 亚皇 inv ,cccharge manager intrastructare o s ne twor， env ironment 1 ， 】。引 】 jdbms mi d dl e m a r e 图1 .2电 信综合营业系统框架 1 . 2 . 3 c o m组件研究现状及其应用现状 计算机的发明和使用是人类历史上的一次飞跃，它给人类带来的方便是不言而 喻的。同时我们也看到，在使用计算机编程解决实际问题的时候，我们就面临着系 统复 杂性不 断 增加的问 题3 9 1 ，如 今这个复杂性己 经是其它工程领域 所无法比 拟的。 西北工业大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 软件开发从使用汇编语言编写应用到使用高级语言如c和j a v a来编写应用系统。 在这期间，软件业的发展速度远远落后于硬件业，小作坊式的软件开发方式随处可 见，其根源就在于“ 组件” 。硬件工程师在开发系统的时候总是使用一个包装好的元 件，每个元件通过特有的接口完成相应的功能， 这样硬件工程师只需要利用别人的 成果来完成自己的系统设计，最大限度的简化了工作。面向对象的思想极大的推动 了软件业的发展.然而软件业又面临了新的问题。首先，由于不存在链接二进制对 象的标准，使得使用一家企业的 c 十 十 编译器编译的对象，只能与使用该厂家的编译 的 c 十 + 程序连接，这样就难以创建可以发布的二进制对象库，人们在发布对象库的 时候不得不附上源代码。 其次， 跨语言平台几乎不可能， c + 十 对象要被别的语言编写 的 对象 调用 难 度 非常 大。 而另一 个问 题就 是当 编 写 的 某个 对象改 变时， 程 序 员 不 得 不重新编译和链接整个应用程序。直到最近十几年，以面向对象技术为基础的软件 组件技术发展起来后，给软件业注入了 新的活力。 目 前 主 要 组 件 技 术 标 准 有: 微 软c o m / d c o m 14 0 1 ( d i s t r ib u t e d c o m p o n e n t o b j e c t m o d e l ， 微软的分布组件对象模型) ， 对象管理组织o m g的c o r b a ( c o m m o n o b j e c t r e q u e s t b r o k e r a r c h i t e c t u r e 厂公共对象请求代理),s u n 公司推出的 j a v a b e a n / e j b ( e n t e r p r i s e j a v a b e a n ) 和o p e n d o c 技 术 等。 这几种技术各有他 们的 特点， 在这里只简单介绍本文所用到的c o m / d c o m组件技术。 c o m / d c o m 是由 mi c r o s o ft与其他业界厂商合作提出的一种分布组件对象模 型， 起源于动态数据交换 ( d d e ) 技术 14 13 。 随后， m i c ro s o ft引入了 组件 对象模型 c o m， 形成了c o m 对象之间实现互操作的二进制标准。 c o m规定了对象模型和编 程要求，使 c o m 对象可以 图1 . 3 d c o m体系结构图 依赖性强，对其他操作系统的支持不足。从 c o r b a a c t i v e x控件与d c o m 的关系相当于c o r b a组件与 与其他对象相互操作。 d c o m是c o m 在分布计算 方面的自 然延续，它为分布 在 网 络 不 同节 点的两 个 c o m 组件提供了互操作的 基础结构 ( 如图1 .3 所示)。 组件间的互操作基于指针进 行， 依 赖于 操作 系 统 的a p i 14 1 ( a p p l i c a t i o n p ro g r a m m i n g i n t e r f a c e ) 。 对wi n d o ws的 的观点来看，可以粗略地说 o r b 的关系。 在公共服务方 面， 微软 提出了自 己 的 事务服务器m t s ( m i c r o s o ft t r a n s a c t i o n s e r v e r ) 和消息 队列 服务 西北工业大学硕士学位论文第 i 章 绪论 器。前者与 c o r b a对象事务服