通用仿真CAE软件开发中的数据格式

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数据是工程软件的核心内容之一，数据的读写，转换，以及数据操作的稳定性都是衡量一款工程软件性能的重点。通用仿真CAE软件也不例外，加上研发与使用周期较长，对于可维护性也有着很高的要求。仿真软件涉及面广，既有软件工程中常涉及的数据持久化方式，也有工程计算，如有限元，有限体积等数值计算的节点单元数据。需要采用多种不同的数据格式，来实现各种功能。

选择好的数据格式，可以极大地提高产品的性能与维护性，同时对于开发者是事半功倍，节约开发时间与资源。在多年实际开发WELSIM产品的经验基础上，本文讨论通用工程仿真CAE软件中的数据格式与应用理念。

几何形状数据

通用仿真软件的入口点是各种几何模型，也就是工程师常说的CAD模型。CAE仿真软件的核心是计算与分析，所以主要的获得几何数据的方式是读取CAD模型，而不是自己生成。

目前最适合仿真软件的几何数据格式是STEP。STEP诞生与上世纪80年代，至今沿用。STEP格式清晰，文件能以高精度读取并保存 3D 模型的整个主体，而不仅仅是基本几何形状。支持装配体。支持长度单位。是能够满足绝大多数CAE应用的几何格式。知名的云端CAD厂商OnShape对于CAD数据的导出格式就是STEP。同时知名的开源几何引擎OpenCascade对STEP的支持也是极为友好。这些都很大程度上方便了STEP格式的应用与兼容。目前STEP也是WELSIM的主要CAD文件导入格式。

也有一些其他知名的几何数据格式，如JT，ACIS，Parasolid等格式。篇幅所限，可能会在以后的文章中讨论。

除了完整的几何数据格式，还有一类以STL为代表的只含表面信息的几何数据格式。这类数据不含拓扑信息，只有表面的三角面片网格数据。随着3D打印近年来的兴起，STL这类数据又变得流行起来。然而由于只含有表面三角面片和法向信息，使得其在通用CAE分析中的应用有一定的限制。

网格数据

网格数据是工程仿真软件中最重要的求解器输入数据，有数据量大，种类多等特点。兼顾性能与通用性是选择网格数据格式的主要标准。WELSIM经过多年的实际开发与客户反馈，认为UNV与PVTU是两种表现优异的网格数据格式。

UNV是I-DEAS提出的一种通用的中性网格数据格式，字段定义清晰易于理解，编程易于实现，适用范围广，可定义各种类型的单元。群组模块支持定义各种边界条件、接触。是一款被业界广泛接受的，且有效的网格数据格式。实际应用中，默认是ASCII的文本格式，开发者也可以使用gzstream等工具转换为二进制文件。

PVTU是基于Kitware公司提出的，基于VTU的非结构化网格格式。特点是支持多核并行的读写，极大的提高了网格文件的读写速度。其基础版本VTU是一种基于XML的数据格式，同时核心数据支持ASCII和二进制两种格式，满足不同的使用场景。

材料数据

工程软件会涉及到大量的材料。虽然材料数据量没有网格或者结果数据体量大，但有时也会包含测试数据等内容，属于中等体量。XML兼顾可读性，读写效率以及网页端的支持，是比较好的选择。材料种类繁多，目前还没有一个通用的数据格式标准，基本是各大软件厂商自行设计。WELSIM和MatEditor两款软件中都使用了XML格式作为文本数据格式，表现优异。值得注意的是，由于材料数据中有大量的单位，在设计格式时，应尽量复用已有的单位，减少文件大小，提高读写效率。

求解器控制输入数据

求解器控制输入数据（以下简称求解器文件）通常会将网格与控制命令分开，这样求解器文件体积会不太大，ASCII文本格式可以胜任。求解器文件的格式主要取决于求解器的规定。如果是自研的求解器，使用JSON可以快速实现求解器文件的读写，是很好的选择，同时JSON天然支持RPC通信，为远程调用求解器提供基础，减少维护成本。一些传统的求解器格式也有不少应用，如Calculix使用Abaqus格式，Dyna和Nastran等格式也都被广泛使用。

结果数据

结果数据是仿真软件最重要的数据，也是体积最大的数据。根据求解情况，结果文件可能会包含网格，也可能不包含。而对于含有网格变化的求解过程，包含了网格数据的结果文件体积就会更大了。

和网格数据类似，VTU是目前最好的结果数据格式。开源友好的协议，开发者可以快速读写VTU结果文件。虽然是基于XML的数据格式，但同时支持将大数据部分保存为二进制格式。PVTU支持并行结果文件，可以充分利用多核硬件资源，增加读写效率。对于多时间步的计算结果，可以通过读写基于VTU的PVD格式的结果文件。PVD是开源软件Paraview的默认文件格式，详情参见《ParaView数据文件(pvd)的格式与读写》一文。得益于VTK与Paraview的广阔生态，VTU格式的结果文件的广泛被兼容。

缓存数据

缓存被广泛应用于操作系统、各种软件应用中。通用仿真会在各个环节使用缓存文件方法，用于保存临时的计算结果，用户操作等数据。缓存可以存放在项目或计算目录，也可能存储在操作系统的临时文件夹。

SQLite可以用于一些缓存文件。如网格划分时的缓存，求解器计算时的缓存等等，GPU计算缓存，本地存储缓存等。SQLite读写速度快，易于拓展。可以按照一定格式设计成为缓存文件。

RPC交互数据

现代通用仿真软件，对于灵活性有着更高的要求。基于RPC通信与进程管理机制无疑是最好的实现方式。详情参见《现代大型通用仿真软件的设计与构架》一文。RPC通信中不可避免的需要TLS保证安全性，如RSA加密后的证书与密钥（包含公钥与私钥）文件，通常是ASCII文本格式。一些其他类型的RPC所需文件会是yaml格式，通信的内容可以是JSON格式。

项目持久化数据

项目持久化是一款完整工程软件的必要功能。项目持久化数据的设计好坏，会直接影响到产品的开发效率，与产品向前版本兼容的稳定性。工程仿真CAE仿真软件持久化数据的核心是树窗口中的树节点及其属性数据。WELSIM使用了HDF5的格式表现了很好的性能与可维护性。同时HDF5的压缩功能也能应对项目中含有的大数据。HDF5提供了丰富的开源包用于读写H5文件，官方也提供了HDFView工具用于打开浏览H5文件。

软件配置数据

一款成熟的软件产品会有各种配置数据文件，即可以定制或修改各种设置，又可用于GUI设置的持久化。配置文件的要求是可读性强，易于理解，因为需要考虑到修改配置文件的使用者，会有来自不同的领域。YAML（Yet Another Markup Language）是一种可读性高、表达力强的数据交换格式，它使用简洁的、易于阅读的语法来表示数据，支持注释和多行字符串等特性，使得配置文件更加易于编写和维护。非常适合作为配置数据文件。