OpenSEES的案例
OpenSees的機(jī)器學(xué)習(xí)時代即將來臨？——Python版OpenSees小白漫游指南
Introduction
簡 介
在土木工程領(lǐng)域，一談到地震工程的模擬，很多人第一個想到的就是開源軟件OpenSees。
OpenSees，全稱“The Open System for Earthquake Engineering Simulation”，是在美國PEER（Pacific Earthquake Engineering Research Center）的贊助下，由土木工程領(lǐng)域的殿堂級名校加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)。
與經(jīng)典的商業(yè)有限元軟件ABAQUS和ANSYS相比，OpenSees最大的優(yōu)勢在于其開源性，其社區(qū)中，有著一批充滿活力的開發(fā)者，支持著OpenSees不斷進(jìn)步，目前，在土木工程學(xué)術(shù)界的國內(nèi)外主流期刊上，均有大量基于OpenSees的研究。
2. Problems for OpenSees Rookies
OpenSees小白的困境
與經(jīng)典商業(yè)有限元軟件相比，OpenSees對于小白而言，是相對不友好的。軟件由C++語言編寫，但調(diào)用卻是Tcl腳本語言。
Tcl腳本語言是一種工具命令語言（Tool Command Language），雖然在百度百科的介紹中，這是一款極為強(qiáng)大的編程語言，但對于土木工程領(lǐng)域的學(xué)生而言，卻是一款陌生的編程語言，這無形中增加了OpenSees的學(xué)習(xí)難度。
根據(jù)國外TIOBE網(wǎng)站的2021年1月的編程語言排行，第一至第五分別是C，Java，Python，C++，C#，而Tcl語言的榜單排名僅為第99名左右，編程語言的“熱度”較低。
展開 OpenSees7款前后處理軟件簡介
前言
與商業(yè)軟件相比，OpenSees并沒有提供圖形用戶界面（GUI）和可視化模塊。使用過程中，用戶一般是借助文本編輯器編輯輸入文件，然后再交由OpenSees進(jìn)行計算得到計算結(jié)果。當(dāng)模型較為復(fù)雜時，沒有直觀的模型顯示，輸入文件耗費(fèi)精力、容易出錯且難以排查。為此，筆者統(tǒng)計了以下7款較為常用的OpenSees前后處理軟件（排名不分先后）進(jìn)行簡單介紹，并附上鏈接，有需要的同學(xué)可自取。
1. ETO（ETABS TO OpenSEES）
華南理工大學(xué)陳學(xué)偉博士開發(fā)的OpenSees前后處理程序。顧名思義，ETO提供了ETABS（CSI公司開發(fā)研制的房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件）與OpenSees交互的接口，能讀入ETABS導(dǎo)出的s2k文件，用戶可在ETABS中建好模型并導(dǎo)出.s2k文件，在ETO中進(jìn)行一定設(shè)置后，即可生成OpenSEES的.tcl腳本文件。ETO具有集成化的用戶界面，可以顯示平面、立面和三維視圖，計算完成后，ETO提供了可視化界面顯示分析結(jié)果。
圖1 ETO界面
具體操作及案例可參考陳學(xué)偉的專著《結(jié)構(gòu)彈塑性分析程序OpenSEES原理與實(shí)例》，陳學(xué)偉的微信公眾號：Dino結(jié)構(gòu)筆記。
圖2 結(jié)構(gòu)彈塑性分析程序OpenSEES原理與實(shí)例
2. STKO（ASDEA STKO for OpenSEES）
ASDEA STKO for OpenSEES（縮寫STKO）是意大利軟件公司ASDEA開發(fā)的基于搭載OpenSEES 求解器的商業(yè)有限元軟件（可先申請許可證試用），前處理器方面提供便捷的GUI操作，且支持幾何模型.igs, .step, .brep 格式導(dǎo)入。后處理器依靠HDF-5數(shù)據(jù)庫可以在后處理中呈現(xiàn)各種位移和應(yīng)力應(yīng)變，反力云圖，以及動畫。
展開 從編程角度闡述有限元最佳入門方法：以Abaqus 和OpenSees 為例
也就是說，如果opensees 能夠有一個強(qiáng)大的GUI 界面，我們也可以完全不去理會tcl 命令流，就像我們可以幾乎可以不理會abaqus 基于python 的script 或者inp 文件一樣，享用opensees。
然而在過去的很長一段時間里，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，而這個過程，對于研究課題相對簡單的使用者來說，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：
以一個具體案例來說，對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，材料編號，截面編號，單元編號，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，很容易就會出錯，出錯后，Opensees 還不給具體提示，需要我們一段代碼一段代碼去調(diào)試，這個調(diào)試的過程時非常的費(fèi)事的。
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使用VS Code插件Code Runner一鍵運(yùn)行OpenSees
使用VS Code插件Code Runner一鍵運(yùn)行OpenSees
問題描述
在常規(guī)的使用Opensees時，我們需要每次編輯好.tcl文件，然后打開OpenSees.exe，并在其中輸入”opensees xxx.tcl“。但是每次都需要保存文件，輸入命令，感覺非常麻煩。于是筆者找到一種在VS Code中編輯.tcl文件，并且配合VS Code的插件Code Runner實(shí)現(xiàn)一鍵運(yùn)行Opensees的方法。
實(shí)現(xiàn)方法
1. 下載Opensees并添加至系統(tǒng)環(huán)境變量
Opensees是開源軟件，并且體量很小，大家可在官網(wǎng)下載Opensees。并將Opensees.exe所在的文件夾添加至系統(tǒng)的環(huán)境變量。
將Openses添加至環(huán)境變量后，我們就可以在系統(tǒng)的任何位置直接打開cmd來使用Opensees.exe，而不需每次都將Opensees.exe放置在當(dāng)前目錄下。
2. 下載VS Code并安裝兩個插件
VS Code是一款非常好用的輕量化的文本編輯器，可以實(shí)現(xiàn)各種文本的編輯，并有代碼高亮，運(yùn)行調(diào)試等功能。
首先通過VS Code官網(wǎng)下載并安裝VS Code。
如果你是首次下載VS Code，可以在左邊第五個按鈕擴(kuò)展商店中搜索并安裝下面三個插件。
Chinese(Simplified)可以對VS進(jìn)行漢化； Code Runner可以將各種代碼運(yùn)行起來，也是本次實(shí)現(xiàn)Opensees的核心；如果你想了解更多關(guān)于該插件的內(nèi)容，可以參考 OpenSees Language可以實(shí)現(xiàn)對.tcl的代碼高亮。
3. 對Code Runner進(jìn)行設(shè)置
點(diǎn)擊Code Runner插件右下角的齒輪，進(jìn)入擴(kuò)展設(shè)置。
展開 【OpenSEES編程與原理】 纖維單元之基于位移的梁柱單元理論分析（一）
文/心塵軒
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纖維梁單元軟件在結(jié)構(gòu)工程中被越來越的學(xué)者重視，不像ABAQUS、ANSYS等大型通用有限元軟件，因?yàn)槠溆嬎闼俣瓤欤碚摫尘爸R完善，在分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時有獨(dú)特的優(yōu)勢，如OpenSees、SAP2000、Etabs等。OpenSees是一款非線性能力很強(qiáng)的抗震分析軟件，但是OpenSees并沒有完整的前后處理功能，需要手敲代碼建模及輸出，新手可能浪費(fèi)大量時間在學(xué)習(xí)如何寫代碼上，這通常讓學(xué)習(xí)OpenSees的新手望而卻步。本帖子給同學(xué)們介紹一款可以替代OpenSees的纖維梁單元軟件-SeismoStruct，它可以說是把OpenSees強(qiáng)大的非線性分析能力和各種單元（梁柱纖維單元、各種零長度link單元）都集成在可視化的前處理后處理模塊，實(shí)現(xiàn)了直接可視化建模，OpenSees有的各種單元、材料，SeismoStruct都有。本帖子簡單介紹SeismoStruct的建模功能和后處理功能，建議學(xué)習(xí)OpenSees的同學(xué)可嘗試一下，軟件學(xué)起來非常快，建模快速。
（1）定義材料（鋼筋、混凝土、自復(fù)位材料、填充墻、純砌體等）
OpenSees里的幾種鋼筋、混凝土本構(gòu)SeismoStruct里都有集成，并且定義的時候很智能，用戶需輸入的參數(shù)很少，如混凝土有mander本構(gòu)，對應(yīng)OpenSees的Concrete02；鋼筋有M-P本構(gòu)，對應(yīng)OpenSees里的Steel02，在SeismoStruct里只需輸入一個混凝土抗壓強(qiáng)度就完成了定義，鋼筋類似。
當(dāng)然還有一些其他的OpenSees里的材料，如自復(fù)位材料，F(xiàn)RP材料，滯回材料等等，詳見軟件手冊。
展開 【JY】基于OpenSees和SAP2000靜力動力計算案例分析
二、 案例詳述—靜力計算
這是一個一榀門式框架，如圖1，左右兩側(cè)為柱，截面為A-A，寬高為均為5 feet (英尺)，柱高36 feet；上方為梁截面為B-B，寬高分別為5 feet，8 feet，梁長42 feet；梁受均布荷載，荷載總重為4000 kip (千磅力)；OpenSees軟件的建模示意圖，如圖2，右圖為桿件局部坐標(biāo)系示意圖；
圖1 一榀門式框架
圖2 OpenSees軟件的建模示意圖
圖3給出了一榀門式框架部分的命令，具體代碼在附錄中；圖4給出了全局坐標(biāo)系下，單元起始節(jié)點(diǎn)X向、Y向、MZ向的力和彎矩；圖5給出了全局坐標(biāo)系下，單元起始節(jié)點(diǎn)X向、Y向、MZ向的彎矩和轉(zhuǎn)角，具體見附錄；圖5給出了OpenSees算出來的彎矩圖結(jié)果和SAP2000給的彎矩圖，從彎矩圖上看，OpenSees和SAP2000計算結(jié)果一致。
圖3 部分OpenSees命令
在Sap2000中進(jìn)行建模分析，模型及荷載如圖所示，與OpenSees一樣，僅開啟3自由度(x/z/Roty)進(jìn)行分析計算。由于在OpenSees中，本例子采用的是歐拉伯努利梁設(shè)置，因此對Sap2000中的剪切截面屬性進(jìn)行調(diào)整，如下圖所示：
圖4 Sap2000模型
對模型進(jìn)行求得分析得到如下圖所示：
圖5 OpenSees中門式框架彎矩圖與SAP2000門式框架計算結(jié)果
下面我們采用位移法手算一下框架的彎矩，由于手算，我們假設(shè)框架軸向不可被壓縮，所以該框架是一個三自由度框架，該框架又是對稱結(jié)構(gòu)，可以簡化圖右的單自由度（B點(diǎn)轉(zhuǎn)角）結(jié)構(gòu)，i1 是桿件的彎曲線剛度。
展開 剪力墻擬靜力試驗(yàn)數(shù)值模擬（ABAQUS、OpenSees）
3、OpenSees與ABAQUS對比
（1）軟件特色。OpenSees是通過編寫tcl代碼輸入程序來進(jìn)行計算，像構(gòu)件擬靜力模擬都有固定的模板，嵌套一下改成自己的參數(shù)很快上手（簡單的模型1,2天足矣）。當(dāng)然也有些前處理軟件，像GID和Navigator等。ABAQUS有CAE界面，可操作性強(qiáng)。
（2）計算時間。我用I5-6300HQ的筆記本，OpenSees計算這個剪力墻，纖維模型用時18秒，分層殼用時70秒。ABAQUS的速度大家也都知道，取決于粘滯系數(shù)和網(wǎng)格大小，用時幾十分鐘或者更久是常態(tài)。
（3）結(jié)果輸出。在OpenSees中，除了輸出滯回曲線，也可以輸出水平往復(fù)荷載與彎曲、剪切變形的關(guān)系，彎矩-曲率圖等，多垂直桿模型還可以輸出墻體裂縫開裂方位圖，保證你的論文中數(shù)據(jù)和圖片多姿多彩。ABAQUS就不用多說了，輸出S、PEEQ、DAMAGEC、SDEG等。
（4）如何選擇軟件。擬靜力試驗(yàn)數(shù)值模擬方面，如果你注重于滯回曲線與試驗(yàn)吻合較好，那么推薦OpenSees。如果你注重于看構(gòu)件的損傷過程和破壞形態(tài)，那么建議選擇ABAQUS。
展開 【STKO助力OpenSEES系列】帶減震裝置（軟鋼阻尼器或者自復(fù)位阻尼器）混凝土框架結(jié)構(gòu)的動力時程分析教程
文/心塵軒
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1、帶金屬阻尼器的case
2、帶旗幟型阻尼器的case
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【STKO助力OpenSEES】零長度單元的使用及其在六層帶金屬阻尼器混凝土框架中的模擬實(shí)現(xiàn)
文/心塵軒
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框架后處理動畫
1、單個零長度單元建立
2、六層帶阻尼器混凝土框架的模擬
注意：盡管在STKO中零長度單元設(shè)置有距離可以計算（默認(rèn)你設(shè)定的距離為相對零點(diǎn)），但是小軒建議還是初始設(shè)置無距離好，更貼近概念。
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13.
展開 STKO助力OpenSEES系列：平面多層多跨混凝土框架靜力循環(huán)pushover分析
由上可見，基于STKO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，單元庫，算法，以及高效的求解過程，所以，作者也希冀助力STKO 搭載Opensees 能夠擴(kuò)大opensees 在中國的影響的進(jìn)程。
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文/心塵軒
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案例一：大跨橋梁多點(diǎn)地震激勵分析（tcl來自陳學(xué)偉）
案例二：超高層彈塑性時程分析（tcl來自陸新征老師）
案例三：土結(jié)構(gòu)相互作用SSI分析
案例四：鋼筋混凝土柱腳pushover分析
案例五：鋼筋混凝土柱滯回分析
案例六：砌體結(jié)構(gòu)滯回分析
案例七：dual system 滯回和時程分析
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1.Abaqus 基于python的plugin 開發(fā)，生成常用建模部件，可以輔助我們快速建模
2.Abaqus基于python的懸臂梁參數(shù)化分析（基礎(chǔ)）
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展開 OpenSees柱子滯回分析
采用OpenSees軟件，對普通混凝土柱子、鋼管混凝土柱子、型鋼混凝土柱子、CFRP增強(qiáng)混凝土柱子的擬靜力試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果較好。
一、普通混凝土柱子
選取清華大學(xué)2011年的普通混凝土柱子，分別采用基于剛度法的非線性梁柱單元（Displacement-Based Beam-Column Element，分別采取1、3、5個單元）和基于柔度法的非線性梁柱單元（Force-Based Beam-Column Element）進(jìn)行模擬，對比剛度法和柔度法的差別，探討如何能較好地模擬柱子低周反復(fù)荷載下的滯回特性。
試驗(yàn)參數(shù)如下：
模擬結(jié)果如下：
二、鋼管混凝土柱子
采用OpenSees軟件，采用基于柔度法的非線性梁柱單元（Force-Based Beam-Column Element）進(jìn)行方鋼管混凝土柱擬靜力試驗(yàn)?zāi)M。采用Mander模型計算核心區(qū)混凝土強(qiáng)度，試驗(yàn)參數(shù)如下：
我的模擬結(jié)果如下：
核心期刊論文模擬如下：
可以看出，兩者相差不大。
三、型鋼混凝土柱
采用OpenSees軟件，采用基于柔度法的非線性梁柱單元（Force-Based Beam-Column Element）進(jìn)行圓形和方型鋼混凝土柱擬靜力試驗(yàn)?zāi)M，采用Kent-Park模型計算核心區(qū)混凝土強(qiáng)度。試驗(yàn)參數(shù)如下：
截面劃分如下：
滯回曲線如下：
四、CFRP加固混凝土柱
采用OpenSees軟件，采用基于柔度法的非線性梁柱單元（Force-Based Beam-Column Element）進(jìn)行CFRP增強(qiáng)混凝土柱擬靜力試驗(yàn)?zāi)M，采用Kent-Park模型計算核心區(qū)混凝土強(qiáng)度，采用Lam-Teng模型計算CFRP參數(shù)。
展開 