基于JSON格式的强度校核软件数据交互接口设计

艾 森，许向彦，王立凯

（中国飞机强度研究所计算结构技术与仿真中心，陕西西安 710065）

0 引言

随着计算机技术及计算力学的快速发展，有限元法作为工程分析的有效方法，在理论、方法、计算机程序开发及应用领域的拓展等方面均取得了举世瞩目的成绩［1］。尤其如Nastran、ANSYS、Abaqus 等大型有限元软件的迅速壮大，使得有限元法的应用向着大型化、通用化的趋势稳步发展。大型通用有限元软件对于静力、动力、非线性、稳定性问题一般可以获得满意的解答，并可解决许多复杂的工程问题［2-5］。

大型通用有限元软件的特点是通用性强，但在专用方面表现不足，无法快速适应工程应用带来的新问题［6］。而且大型通用有限元软件开发难度很大，如果想在通用有限元软件基础上，快速开发专门问题的软件工具，则时间周期难以赶上工程进度。为解决这一矛盾，现有的做法基本是在通用有限元软件平台上进行二次开发，或将专用软件整合到通用有限元软件平台上作为单独模块，并与通用有限元平台实现前后置交互。其中，由中国飞机强度研究所研发的强度校核软件就选择了第二条道路，实现了强度校核专用工具的研发与集成［7-8］。

强度校核软件以飞机结构静强度分析作为应用对象，包含金属结构和复合材料结构的强度分析与校核。该软件采用Python 语言编写，作为独立的求解器集成到大型通用有限元软件HAJIF 平台上，并借助HAJIF 平台的前后置界面实现数据交互和结果可视化。由于HAJIF 平台提供的前端界面和结果可视化都采用C++语言编写，而强度校核软件求解器作为独立模块，采用Python 语言编写，造成前后数据的通信隔离，必须定义一种统一的格式作为前后置与求解器数据交互的媒介。

为实现强度校核软件求解器与前后置的快速通信，采用JSON 格式的文件作为数据交互媒介。HAJIF 平台提供的前端界面生成强度校核所需的参数文件，并以JSON 格式写出。求解器读取JSON 文件进行解析，并根据解析结果完成相应的强度校核任务，再以JSON 格式将校核结果返回到前端界面，用于结果的显示与查询。本文对基于JSON 格式的强度校核软件数据交互接口的设计和实现过程进行说明，为类似专用模块开发提供参考。

1 强度校核流程与数据交互机制

以飞机蒙皮结构压缩稳定性校核流程作为案例进行说明。如图1 所示，对于大曲率的飞机蒙皮结构，在校核压缩稳定性上，可将其简化为承受均匀轴向压缩载荷的矩形平板，其弹性临界应力可按式（1）计算［9-10］：

其中，b为加载边宽度；δ为板厚度；E为材料弹性模量；μe为材料弹性泊松比；Kc为压缩临界应力系数，与板的边界支持条件及长宽比（a/b）有关。

Fig.1 Compressed plate parameters and load form图1 压缩平板参数及受载形式

利用式（1）计算获得σcr后，将其作为许用值。为获得结构的安全裕度，还需要从总体有限元分析结果中获取结构的工作应力。因此，强度校核流程主要包含两部分：结构的许用值计算和工作应力的提取。在得到许用值和工作应力后，即可利用式（2）计算安全裕度：

其中，[σ]为结构的许用应力，可以是正应力或剪应力，有时也可以是结构的许用力；对应地，σ为结构的工作应力，同样可以是正应力、剪应力或工作力。

从以上案例可见，强度校核基本流程为首先获取强度计算公式中所需要的参数，然后进入求解器中根据参数确定校核类型（如蒙皮压缩、蒙皮剪切、长桁压缩等），并调用相关计算公式获得校核部位的许用值。进一步从总体有限元分析结果中提取工作应力，计算安全裕度，输出校核结果并返回到后置显示界面。

强度校核总体流程及软件实施主要过程如图2 所示。在该流程中，数据交互接口主要存在于两个阶段，一是由HAJIF 平台提供的前端界面生成的强度校核参数文件（如图2 中的“数据交互接口1”），该文件将作为求解器输入文件；二是经过求解器计算输出的结果文件（如图2 中的“数据交互接口2”），该文件将由前端界面读取并进行结果可视化。

Fig.2 Strength check overall process and software implementation process图2 强度校核总体流程及软件实施过程

上述数据交互文件可以采用各种格式实现，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，作为求解器的输入文件时，需要进行二次解析，增加了较大的工作量；而XML 由于文档庞大、格式复杂、数据冗余、解析消耗太多系统资源等固有缺陷，使其执行效率低下［11］。

JSON 是一种能够代替XML 的轻量级数据交换格式，在扩展性和可读性上与XML 相当，但在数据传输效率和解析难度上远优于XML［12-13］。该格式已在多个领域进行了大量应用［14-17］。因此，为统一强度校核软件的数据交互，本文以JSON 格式作为数据交互媒介，用于参数文件和校核结果文件的数据传输。

2 数据交互接口设计及程序实现

2.1 数据交互接口设计

在本文研发的强度校核软件中，数据交互接口是链接HAJIF 前后置和求解器的唯一媒介，扮演着参数传递和任务分发的角色。从“数据交互接口1”来讲，用户在强度校核软件前端界面（见图3）中定义好相关参数和计算任务后，形成求解器的输入文件，由求解器内部子程序对其进行解析，完成相关计算任务。

“数据交互接口1”定义的参数主要包括3 类：基本控制参数、结构及材料参数、结果提取参数。其中，基本控制参数决定当前校核类型及相关模型存放路径等信息；结构及材料参数将根据当前校核类型所采用的计算公式确定；结果提取参数也将根据当前校核类型及校核部位确定。

求解器通过解析“数据交互接口1”的参数，并调用相应的强度计算程序及结果提取程序完成许用值计算、工作应力提取及安全裕度获取；然后输出“数据交互接口2”的数据模型，返回到前端界面进行结果可视化显示。“数据交互接口2”主要由计算的许用应力、提取的工作应力及安全裕度构成。

在数据交互过程中，交互接口均以JSON 格式的数据模型作为交互媒介，从而实现强度校核软件高效的数据流转，如图4、图5 所示。

Fig.3 Front-end interface of strength check software图3 强度校核软件前端界面

Fig.4 JSON data model output by the front-end interface图4 前端界面输出的JSON 数据模型

Fig.5 JSON data model output by the solver software图5 求解器输出的JSON 数据模型

2.2 基于JSON 格式的数据交互程序实现

强度校核软件前端界面和结果可视化部分均采用C++语言编写，而求解器部分采用Python 语言编写。因此，对于JSON 格式的数据文件将涉及两种语言。当用户在前端界面上完成相关参数的定义后，先由C++语言输出JSON 数据文件；然后进入到求解器，利用Python 语言进行解析并完成计算。生成的结果将由Python 输出为JSON 的数据文件，并由C++进行读入解析，实现可视化显示。

2.2.1 基于C++的JSON 格式文件读写实现

前端C++对JSON 数据文件的写出与读入采用jsoncpp库实现。jsoncpp 是一个开源的轻量级C++json 解析库，允许操作JSON 值，包括与字符串之间的序列化和反序列化。它还可以在反序列化/序列化步骤中保留现有注释，使其成为存储用户输入文件的便捷格式。

为实现JSON 文件的写出与读入，需要jsoncpp 中的Json：：Value，Json：：Reader，Json：：Writer 等3 个基本类。3个基本类的执行过程如图6 所示。

Fig.6 Three basic classes execution process of Jsoncpp library图6 Jsoncpp 库3 个基本类的执行过程

Json：：Reader 的作用是将字符串解析为Json：：Value 对象，解析使用Reader 对象的parse 函数。以蒙皮压缩数据结构输出为例，其伪代码如下：

Json：：Writer 是一个虚类，不能直接使用，可以通过它的两个子类Json：：FastWriter 和Json：：StyledWriter 进行输出显示。两者的区别是：FastWriter 显示的内容去掉了格式（回车等），为纯字符串，而StyledWriter 保留了格式。同样以蒙皮压缩数据结构输出为例，其伪代码如下：

2.2.2 基于Python 的JSON 格式文件读写实现

相较于C++语言，Python 对JSON 格式文件的读入、解析及写出都要简单得多，Python 通过调用JSON 库实现JSON 文件的操作。主要应用到JSON 库中的4 个模块有：dumps、dump、loads、load。其中，dumps 将数据类型转换为字符串类型；dump 将数据类型转换成字符串并存储在文件中；loads 将字符串转换成数据类型；load 打开文件，并将字符串转换成数据类型。

如图7 所示，采用Python 解析JSON 文件，首先导入JSON 库，并利用loads 或load 模块打开加载数据；然后将加载后的数据转换为Python 语言中的字典格式，字典中的成员以“键：值”的形式作为各参数名及取值的数据规则。同样地，在求解器内部完成强度校核后，其校核结果也将以字典形式构建结果的参数形式，利用dump 模块将其写出到本地文件中，并提供给前端界面进行结果显示及可视化。

Fig.7 Execution flow of Python JSON library图7 Python JSON 库执行流程

3 验证算例

为说明本文所设计的数据交互接口及实现过程的可行性，以某型飞机机翼上壁板结构为验证对象，说明其主要过程。某型飞机上壁板部分有限元模型对应结构由蒙皮和“工”字型筋条组成。根据总体有限元分析，上壁板沿展向（图中Y 向）主要承受压缩载荷，因此针对各区域进行蒙皮压缩稳定性校核。上壁板蒙皮压缩稳定性校核区域如图8 所示，中间两个翼肋之间的蒙皮共划分为5 个校核区域。该区域材料牌号为7050-T7451，根据式（1）所需参数，由前端界面输出的JSON 文件，将由5 个Elm_group_i（i=1，2，……，5）组成，每个Elm_group_i 包含基本控制参数、结构及材料参数、结果提取参数。

Fig.8 Check area for compression stability of upper panel图8 上壁板蒙皮压缩稳定性校核区域

当求解器读入前端界面生成的JSON 文件后，进行内部解析，并调用平板压缩稳定性计算子程序进行压缩许用应力计算。5 个校核区域的结构参数基本一致，因而计算出的压缩许用应力均为91.99MPa。调用工作应力提取子程序，按每个区域最大工作应力进行提取，其值分别为-17.94MPa、-18.07MPa、-18.70MPa、-19.01MPa、-18.92MPa，由此可获得各区域的安全裕度。

将校核结果写入JSON 文件，被前端界面读取解析，进行可视化显示。校核区域安全裕度云图显示结果如图9 所示，由于提取到的工作应力结果不同，各区域的安全裕度计算结果也不同。由上述流程和校核结果可知，基于JSON格式的数据交互可作为强度校核软件的数据通信接口，可支撑强度校核全流程的数据高效流转。

Fig.9 Safety margin cloud chart of the check area图9 校核区域安全裕度云图显示

4 结语

航空结构分析专用软件研发一直都是型号研制的关键工具。本文针对航空航天大型装备研发了强度校核软件，并集成于HAJIF 平台。为解决与HAJIF 平台前端界面数据交互接口不统一等问题，提出以JSON 格式作为数据交互的媒介，并阐述利用C++和Python 语言解析JSON 文件的主要过程，通过验证算例说明了基于JSON 格式进行数据通信的可行性。采用这种数据格式，可以将前后置界面和求解器的研发任务进行分离，降低了系统编程的复杂性，为未来航空结构专业软件研发奠定了良好基础。