基于JSON格式的強度校核軟件數據交互接口設計

艾 森，許向彥，王立凱

（中國飛機強度研究所計算結構技術與仿真中心，陜西西安 710065）

0 引言

隨著計算機技術及計算力學的快速發展，有限元法作為工程分析的有效方法，在理論、方法、計算機程序開發及應用領域的拓展等方面均取得了舉世矚目的成績［1］。尤其如Nastran、ANSYS、Abaqus 等大型有限元軟件的迅速壯大，使得有限元法的應用向著大型化、通用化的趨勢穩步發展。大型通用有限元軟件對于靜力、動力、非線性、穩定性問題一般可以獲得滿意的解答，并可解決許多復雜的工程問題［2-5］。

大型通用有限元軟件的特點是通用性強，但在專用方面表現不足，無法快速適應工程應用帶來的新問題［6］。而且大型通用有限元軟件開發難度很大，如果想在通用有限元軟件基礎上，快速開發專門問題的軟件工具，則時間周期難以趕上工程進度。為解決這一矛盾，現有的做法基本是在通用有限元軟件平臺上進行二次開發，或將專用軟件整合到通用有限元軟件平臺上作為單獨模塊，并與通用有限元平臺實現前后置交互。其中，由中國飛機強度研究所研發的強度校核軟件就選擇了第二條道路，實現了強度校核專用工具的研發與集成［7-8］。

強度校核軟件以飛機結構靜強度分析作為應用對象，包含金屬結構和復合材料結構的強度分析與校核。該軟件采用Python 語言編寫，作為獨立的求解器集成到大型通用有限元軟件HAJIF 平臺上，并借助HAJIF 平臺的前后置界面實現數據交互和結果可視化。由于HAJIF 平臺提供的前端界面和結果可視化都采用C++語言編寫，而強度校核軟件求解器作為獨立模塊，采用Python 語言編寫，造成前后數據的通信隔離，必須定義一種統一的格式作為前后置與求解器數據交互的媒介。

為實現強度校核軟件求解器與前后置的快速通信，采用JSON 格式的文件作為數據交互媒介。HAJIF 平臺提供的前端界面生成強度校核所需的參數文件，并以JSON 格式寫出。求解器讀取JSON 文件進行解析，并根據解析結果完成相應的強度校核任務，再以JSON 格式將校核結果返回到前端界面，用于結果的顯示與查詢。本文對基于JSON 格式的強度校核軟件數據交互接口的設計和實現過程進行說明，為類似專用模塊開發提供參考。

1 強度校核流程與數據交互機制

以飛機蒙皮結構壓縮穩定性校核流程作為案例進行說明。如圖1 所示，對于大曲率的飛機蒙皮結構，在校核壓縮穩定性上，可將其簡化為承受均勻軸向壓縮載荷的矩形平板，其彈性臨界應力可按式（1）計算［9-10］：

其中，b為加載邊寬度；δ為板厚度；E為材料彈性模量；μe為材料彈性泊松比；Kc為壓縮臨界應力系數，與板的邊界支持條件及長寬比（a/b）有關。

Fig.1 Compressed plate parameters and load form圖1 壓縮平板參數及受載形式

利用式（1）計算獲得σcr后，將其作為許用值。為獲得結構的安全裕度，還需要從總體有限元分析結果中獲取結構的工作應力。因此，強度校核流程主要包含兩部分：結構的許用值計算和工作應力的提取。在得到許用值和工作應力后，即可利用式（2）計算安全裕度：

其中，[σ]為結構的許用應力，可以是正應力或剪應力，有時也可以是結構的許用力；對應地，σ為結構的工作應力，同樣可以是正應力、剪應力或工作力。

從以上案例可見，強度校核基本流程為首先獲取強度計算公式中所需要的參數，然后進入求解器中根據參數確定校核類型（如蒙皮壓縮、蒙皮剪切、長桁壓縮等），并調用相關計算公式獲得校核部位的許用值。進一步從總體有限元分析結果中提取工作應力，計算安全裕度，輸出校核結果并返回到后置顯示界面。

強度校核總體流程及軟件實施主要過程如圖2 所示。在該流程中，數據交互接口主要存在于兩個階段，一是由HAJIF 平臺提供的前端界面生成的強度校核參數文件（如圖2 中的“數據交互接口1”），該文件將作為求解器輸入文件；二是經過求解器計算輸出的結果文件（如圖2 中的“數據交互接口2”），該文件將由前端界面讀取并進行結果可視化。

Fig.2 Strength check overall process and software implementation process圖2 強度校核總體流程及軟件實施過程

上述數據交互文件可以采用各種格式實現，如文本格式、XML 格式、JSON 格式等。但文本文件格式零散、不容易解析，作為求解器的輸入文件時，需要進行二次解析，增加了較大的工作量；而XML 由于文檔龐大、格式復雜、數據冗余、解析消耗太多系統資源等固有缺陷，使其執行效率低下［11］。

JSON 是一種能夠代替XML 的輕量級數據交換格式，在擴展性和可讀性上與XML 相當，但在數據傳輸效率和解析難度上遠優于XML［12-13］。該格式已在多個領域進行了大量應用［14-17］。因此，為統一強度校核軟件的數據交互，本文以JSON 格式作為數據交互媒介，用于參數文件和校核結果文件的數據傳輸。

2 數據交互接口設計及程序實現

2.1 數據交互接口設計

在本文研發的強度校核軟件中，數據交互接口是鏈接HAJIF 前后置和求解器的唯一媒介，扮演著參數傳遞和任務分發的角色。從“數據交互接口1”來講，用戶在強度校核軟件前端界面（見圖3）中定義好相關參數和計算任務后，形成求解器的輸入文件，由求解器內部子程序對其進行解析，完成相關計算任務。

“數據交互接口1”定義的參數主要包括3 類：基本控制參數、結構及材料參數、結果提取參數。其中，基本控制參數決定當前校核類型及相關模型存放路徑等信息；結構及材料參數將根據當前校核類型所采用的計算公式確定；結果提取參數也將根據當前校核類型及校核部位確定。

求解器通過解析“數據交互接口1”的參數，并調用相應的強度計算程序及結果提取程序完成許用值計算、工作應力提取及安全裕度獲取；然后輸出“數據交互接口2”的數據模型，返回到前端界面進行結果可視化顯示。“數據交互接口2”主要由計算的許用應力、提取的工作應力及安全裕度構成。

在數據交互過程中，交互接口均以JSON 格式的數據模型作為交互媒介，從而實現強度校核軟件高效的數據流轉，如圖4、圖5 所示。

Fig.3 Front-end interface of strength check software圖3 強度校核軟件前端界面

Fig.4 JSON data model output by the front-end interface圖4 前端界面輸出的JSON 數據模型

Fig.5 JSON data model output by the solver software圖5 求解器輸出的JSON 數據模型

2.2 基于JSON 格式的數據交互程序實現

強度校核軟件前端界面和結果可視化部分均采用C++語言編寫，而求解器部分采用Python 語言編寫。因此，對于JSON 格式的數據文件將涉及兩種語言。當用戶在前端界面上完成相關參數的定義后，先由C++語言輸出JSON 數據文件；然后進入到求解器，利用Python 語言進行解析并完成計算。生成的結果將由Python 輸出為JSON 的數據文件，并由C++進行讀入解析，實現可視化顯示。

2.2.1 基于C++的JSON 格式文件讀寫實現

前端C++對JSON 數據文件的寫出與讀入采用jsoncpp庫實現。jsoncpp 是一個開源的輕量級C++json 解析庫，允許操作JSON 值，包括與字符串之間的序列化和反序列化。它還可以在反序列化/序列化步驟中保留現有注釋，使其成為存儲用戶輸入文件的便捷格式。

為實現JSON 文件的寫出與讀入，需要jsoncpp 中的Json：：Value，Json：：Reader，Json：：Writer 等3 個基本類。3個基本類的執行過程如圖6 所示。

Fig.6 Three basic classes execution process of Jsoncpp library圖6 Jsoncpp 庫3 個基本類的執行過程

Json：：Reader 的作用是將字符串解析為Json：：Value 對象，解析使用Reader 對象的parse 函數。以蒙皮壓縮數據結構輸出為例，其偽代碼如下：

Json：：Writer 是一個虛類，不能直接使用，可以通過它的兩個子類Json：：FastWriter 和Json：：StyledWriter 進行輸出顯示。兩者的區別是：FastWriter 顯示的內容去掉了格式（回車等），為純字符串，而StyledWriter 保留了格式。同樣以蒙皮壓縮數據結構輸出為例，其偽代碼如下：

2.2.2 基于Python 的JSON 格式文件讀寫實現

相較于C++語言，Python 對JSON 格式文件的讀入、解析及寫出都要簡單得多，Python 通過調用JSON 庫實現JSON 文件的操作。主要應用到JSON 庫中的4 個模塊有：dumps、dump、loads、load。其中，dumps 將數據類型轉換為字符串類型；dump 將數據類型轉換成字符串并存儲在文件中；loads 將字符串轉換成數據類型；load 打開文件，并將字符串轉換成數據類型。

如圖7 所示，采用Python 解析JSON 文件，首先導入JSON 庫，并利用loads 或load 模塊打開加載數據；然后將加載后的數據轉換為Python 語言中的字典格式，字典中的成員以“鍵：值”的形式作為各參數名及取值的數據規則。同樣地，在求解器內部完成強度校核后，其校核結果也將以字典形式構建結果的參數形式，利用dump 模塊將其寫出到本地文件中，并提供給前端界面進行結果顯示及可視化。

Fig.7 Execution flow of Python JSON library圖7 Python JSON 庫執行流程

3 驗證算例

為說明本文所設計的數據交互接口及實現過程的可行性，以某型飛機機翼上壁板結構為驗證對象，說明其主要過程。某型飛機上壁板部分有限元模型對應結構由蒙皮和“工”字型筋條組成。根據總體有限元分析，上壁板沿展向（圖中Y 向）主要承受壓縮載荷，因此針對各區域進行蒙皮壓縮穩定性校核。上壁板蒙皮壓縮穩定性校核區域如圖8 所示，中間兩個翼肋之間的蒙皮共劃分為5 個校核區域。該區域材料牌號為7050-T7451，根據式（1）所需參數，由前端界面輸出的JSON 文件，將由5 個Elm_group_i（i=1，2，……，5）組成，每個Elm_group_i 包含基本控制參數、結構及材料參數、結果提取參數。

Fig.8 Check area for compression stability of upper panel圖8 上壁板蒙皮壓縮穩定性校核區域

當求解器讀入前端界面生成的JSON 文件后，進行內部解析，并調用平板壓縮穩定性計算子程序進行壓縮許用應力計算。5 個校核區域的結構參數基本一致，因而計算出的壓縮許用應力均為91.99MPa。調用工作應力提取子程序，按每個區域最大工作應力進行提取，其值分別為-17.94MPa、-18.07MPa、-18.70MPa、-19.01MPa、-18.92MPa，由此可獲得各區域的安全裕度。

將校核結果寫入JSON 文件，被前端界面讀取解析，進行可視化顯示。校核區域安全裕度云圖顯示結果如圖9 所示，由于提取到的工作應力結果不同，各區域的安全裕度計算結果也不同。由上述流程和校核結果可知，基于JSON格式的數據交互可作為強度校核軟件的數據通信接口，可支撐強度校核全流程的數據高效流轉。

Fig.9 Safety margin cloud chart of the check area圖9 校核區域安全裕度云圖顯示

4 結語

航空結構分析專用軟件研發一直都是型號研制的關鍵工具。本文針對航空航天大型裝備研發了強度校核軟件，并集成于HAJIF 平臺。為解決與HAJIF 平臺前端界面數據交互接口不統一等問題，提出以JSON 格式作為數據交互的媒介，并闡述利用C++和Python 語言解析JSON 文件的主要過程，通過驗證算例說明了基于JSON 格式進行數據通信的可行性。采用這種數據格式，可以將前后置界面和求解器的研發任務進行分離，降低了系統編程的復雜性，為未來航空結構專業軟件研發奠定了良好基礎。