劃重點(diǎn)：通過本文，初步了解有限元軟件的計(jì)算內(nèi)核和前后處理器的對(duì)計(jì)算機(jī)性能和編程語言的要求，基于此，我們應(yīng)該選擇門檻最低的GUI方法去嫻熟有限元軟件。本文通過對(duì)比學(xué)習(xí)Abaqus 和OpenSees的過程, 建議各位可以嘗試使用STKO搭載OpenSees像使用具有友好GUI 的商業(yè)有限元一樣使用OpenSEES, 而無需任何編程能力。（本文由心塵軒博士執(zhí)筆，就讀于香港理工大學(xué)，如果各位對(duì)STKO 有興趣，可加入群752746704，相互交流學(xué)習(xí)）

1. 前言：

作者曾執(zhí)筆《無需TCL編程能力，STKO帶你輕松玩轉(zhuǎn)OpenSEES》，如果有興趣可以點(diǎn)擊下

面連接查看（https://www.jishulink.co m /content/post/1848287 ），在上一篇推文中，作

者翔實(shí)論述了OpenSees混合編程（Tcl+CPP）的本質(zhì)，并用一個(gè)案列論證了STKO 可以使我

們輕松便利的玩轉(zhuǎn)Opensees，而無需任何的編程能力。

2. 正文：

本文則站在更高的維度來橫向?qū)Ρ?/span>其他商業(yè)有限元如Abaqus 的學(xué)習(xí)方法，以此來論述為什么建議初學(xué)者可以借助具有友好GUI界面的STKO 來掌握OpenSEES的學(xué)習(xí)和使用.

在學(xué)習(xí)有限元前，我們必然已經(jīng)掌握了基本的有限元理論，這對(duì)我們更好地了解有限元軟件時(shí)大有裨益的。本質(zhì)上，任何有限元應(yīng)該包括三部分內(nèi)容：與求解相關(guān)模塊，前處理模塊，后處理模塊。其中決定一個(gè)有限元優(yōu)劣的就是其求解模塊，因此可以說，有限元軟件的CPU就是其求解模塊。求解模塊的求解速度，收斂性，材料庫(kù)，單元庫(kù)，相互作用，算法，這一整套代碼庫(kù)就可以將我們的有限元模型按照自由度組裝成剛度矩陣方程，按照一定的算法，進(jìn)行剛度矩陣方程的求解，或者對(duì)該系統(tǒng)的微分方程進(jìn)行積分等數(shù)值求解，上述的過程就是該模塊的主要工作，而這部分工作需要較大的計(jì)算資源。所以對(duì)于該模塊的代碼編寫，一般多采用能夠調(diào)用電腦資源的編程語言，比如C和Fortran。而我們常見的商業(yè)有限元軟件Abaqus和ansys 的求解模塊均由Fortran 語言編寫的，這也是為什么，我們經(jīng)常看到很多學(xué)者基于自己課題研究的需要，通過Fortran語言編寫了很多材料的umat 或者vumat的子程序，實(shí)際上就是對(duì)abaqus 的材料庫(kù)進(jìn)行了擴(kuò)充。但是Fortran 語言相比C在調(diào)用計(jì)算機(jī)計(jì)算資源這方面，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及，這也是為什么，我們發(fā)現(xiàn)相同的自由度規(guī)模的分析，Opensees 的速度較Abaqus 快很多。更不用說，Opensees 中擁有最為強(qiáng)大的材料庫(kù)和單元庫(kù)，每年都會(huì)有很多來自全球的學(xué)者開發(fā)相當(dāng)?shù)拇a來擴(kuò)充OS 的求解模塊。

而對(duì)于有限元軟件的前后模塊，則對(duì)計(jì)算性能要求不高，所以通常用其他的編程語言進(jìn)行GUI的設(shè)計(jì)，比如我們常用的abaqus 就是采用python 語言進(jìn)行前后處理器的設(shè)計(jì)的。前處理模塊，主要功能就是實(shí)現(xiàn)和使用者的交互，你在窗口上的點(diǎn)擊交互，會(huì)激發(fā)它自動(dòng)生成某些代碼，比如你在用鼠標(biāo)操作abaqus的每一步，都會(huì)在對(duì)應(yīng)的abaqus.py文件中輸出相應(yīng)的代碼如圖1：

圖1 Abaqus.py中對(duì)應(yīng)GUI 操作代碼

最終abaqus 會(huì)自動(dòng)把這些由GUI出發(fā)產(chǎn)生的代碼轉(zhuǎn)換為通用格式ASCII .inp 文件，由這些命令流去觸發(fā)abaqus 求解模塊，使其采用相應(yīng)的材料，單元，作用，算法，荷載，來形成有限元模型，并對(duì)其求解。

上述分析，也就說明，我們?cè)诮baqus 模型時(shí)，可以采用三種方式建立模型，一是GUI操作，二是基于python 寫模型的script， 三是直接寫.inp 文件。 但是對(duì)于上述過程，對(duì)于初學(xué)者而言，或者大多數(shù)已經(jīng)使用abaqus 的用戶，如果不做二次開發(fā)的話，想必對(duì)后兩者的方法都相當(dāng)陌生。也只有高階的用戶才會(huì)用到零星的半點(diǎn)，比如常見地，我們需要給結(jié)構(gòu)施加初始缺陷時(shí)，是直接在關(guān)鍵字中增加的，這就是因?yàn)椋壳癎UI 的操作沒有這個(gè)選項(xiàng)，而我們直接對(duì)inp 文件進(jìn)行了干預(yù)。這也就從側(cè)面說明了一個(gè)有限元的友好的前處理器對(duì)于初學(xué)者時(shí)多么重要。也就是說，如果opensees 能夠有一個(gè)強(qiáng)大的GUI 界面，我們也可以完全不去理會(huì)tcl 命令流，就像我們可以幾乎可以不理會(huì)abaqus 基于python 的script 或者inp 文件一樣，享用opensees。

然而在過去的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，盡管Opensees 由于其出色的求解模塊而活躍于科研圈，但其價(jià)值還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被充分發(fā)掘出來，究其原因，主要就是沒有友好的GUI，初學(xué)者需要編寫一定的tcl 命令流，來和Opensees 的求解模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而這個(gè)過程，對(duì)于研究課題相對(duì)簡(jiǎn)單的使用者來說，還能接受，一旦研究的課題空間化，復(fù)雜化，殼和實(shí)體化，通過tcl的編寫，盡管高手也有點(diǎn)捉襟見肘，所以我們必須要有一個(gè)強(qiáng)大的前后處理器來進(jìn)一步擴(kuò)大opensees 不光在科研圈，也在工程界的影響，當(dāng)然在這個(gè)進(jìn)程，很多學(xué)者也做了很多的努力，比如內(nèi)地的陳學(xué)偉博士，加拿大的 Prof. Tony Yang.但總的來說Opensees 的前后處理還不是很友好。

作者基于自己使用用戶體驗(yàn)，推薦由意大利ASDEA 公司為Opensees量身定制的基于CAD 操作的前后處理STKO 軟件，成功無縫對(duì)接Opensees，形成新一代有限元軟件，該軟件為Opensees 的進(jìn)一步推廣必然有一定促進(jìn)作用，該軟件也被Openses 官方網(wǎng)站特別推薦，如圖2。

圖2 Opensees 官網(wǎng)

3. 案例1：

以一個(gè)具體案例來說，對(duì)于如下圖的三維多層多跨鋼框架，如果我們需要用tcl 命令去寫，是很復(fù)雜，我們需要校核節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，材料編號(hào)，截面編號(hào)，單元編號(hào)，單元截面的局部坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn)質(zhì)量等等，在撰寫命令流時(shí)，很容易就會(huì)出錯(cuò)，出錯(cuò)后，Opensees 還不給具體提示，需要我們一段代碼一段代碼去調(diào)試，這個(gè)調(diào)試的過程時(shí)非常的費(fèi)事的。而采用STKO，你僅僅需要十幾分鐘就完成幾何模型建立，然后在進(jìn)行mesh 形成數(shù)值模型，最后直接提交計(jì)算，如果過程有錯(cuò)，你可以通過圖形觀察模型，很容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，若無錯(cuò)誤，很快就可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化的分析。就如同GUI操作abaqus 一般，提取我們想要的應(yīng)力，位移，以及力位移曲線等數(shù)據(jù)。

圖3 Opensees 框架模擬

案例2：精細(xì)話模擬

如果我們想要對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行像abaqus一樣進(jìn)行三維精細(xì)化模擬，如對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的模擬。這樣的實(shí)體模型，可不是通過寫tcl 代碼就可以完成的。而在SKTO中，通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可以完成從幾何模型的建立到計(jì)算結(jié)構(gòu)的分析。

圖3 Opensees 三維砌體結(jié)構(gòu)模擬

結(jié)語：

所以STKO支撐后的Opensees的使用潛力將被很大程度挖掘，我們將可以輕易使用它的強(qiáng)大的材料庫(kù)，單元庫(kù)，算法，以及高效的求解過程，所以，作者也希冀助力STKO 搭載IOpensees 能夠擴(kuò)大opensees 在中國(guó)的影響的進(jìn)程。