【JY】OpenSEES简介及分析流程

1 引言

对结构进行静力弹塑性、动力非线性时程分析时，结构模型简化模拟的准确性将直接影响分析结果。结构有限元模型建立的适用性与准确性是结构分析最为关键的环节，否则可能会得到错误的结论。

常用的大型有限元分析软件有：ANSYS、ABAQUS、ADINA和 MSC等。在结构分析时，为了获得更好的分析结果，常常需要精细化建模，但同时会增加计算量。土木专业型软件，如 SAP2000、ETABS、IDARC、DRAIN系列和OpenSEES等，提供了针对建筑结构通用的杆系单元、宏单元等，常用于结构的有限元分析，工程实例和试验研究也证明了上述软件的可靠性和正确性。OpenSEES以其开放的源代码、丰富的单元材料类型和极强的非线性分析功能，越来越受到世界地震工程研究人员的青睐。

2 OpenSEES简介

OpenSEES（Open System for Earthquake Engineering Simulation），是由美国国家自然科学基金(NSF)资助、太平洋地震工程研究中心(PEER)主导、加州大学伯克利分校为主研发的、用于结构和岩土地震反应模拟的开放式平台。OpenSEES具有丰富的、可用于结构非线性分析、岩土分析的材料库和单元库，同时其源代码完全开放，可以改变材料的本构关系，加入新的单元类型，或者使用更为高效的迭代方法等。OpenSEES具有强大的并行运算功能和混合模拟功能，能够有力提高结构计算的效率。OpenSEES不但可以实现常规的结构静力分析，还能进行结构静力 Pushover  分析、静力反复加载分析、动力时程分析等，其中动力时程分析不仅能单点激励(Uniform-support Excitation)，还可以多点激励(Multi-support Excitation)。另外，它还可用于结构和岩土体系在地震作用下的可靠度及灵敏度的分析。

目前，OpenSEES在我国正逐步推广应用，特别是其开放的源代码，便于将试验研究的成果方便的应用到OpenSEES的材料库和单元库，能够更加方便的为工程实际提供理论支撑，可以说OpenSEES在结构试验研究和数值模拟之间架起了一座桥梁。

图1  OpenSEES分析流程图

OpenSEES是采用C 语言编写的计算平台，同时通过相关的Tcl/Tk语言，构建节点对象（Node）、材料对象（Material）、截面对象（Section）、单元对象（Element）、约束信息和荷载信息等有限元模型的子对象，将其组合便可得到结构的有限元模型。OpenSEES没有实现交互式的图形处理界面，前后处理比较繁琐。

3 OpenSEES的分析流程

Scott集中阐述了OpenSEES分析的基本模式，现概述如下。下述计算过程是有限元分析的基本步骤，因此可以是静力分析的一个加载步，也可以是动力反应分析中的一个瞬态时间子步。OpenSEES对梁柱单元的分析流程如图1所示。

当模型初步建立完成之后，在 Domain 类中对所有的单元实例进行遍历，以结构总体坐标系下的结构单元为基本计算单元，提取出对应的节点荷载、节点位移，用于计算节点反力。

由几何转换矩阵，将单元类中的变量场转换至局部坐标系下，此时，利用几何关系矩阵等变换信息，求出单元局部坐标上的几个积分点处的变形，也即截面变形。

以纤维模型（Fiber Model）为例，由截面变形和截面纤维的应变之间的关系，按照平截面假定，可以求出截面上不同位置纤维处的应变值。根据应变大小，利用材料的应力应变关系，可以求出材料当前应变状态的应力值。此时便完成了一次求解分析过程，求出了截面纤维的应力状态，而后便可以组装成单元合力。

对截面上纤维的应力值进行积分，得出截面的合力，然后再返回到局部坐标下的单元中，由单元对截面合力进行数值积分，获得单元在局部坐标下的单元反力。再由坐标转换矩阵，将单元反力转换成整体坐标下的单元抗力。最终，通过单元集装，形成平衡的非线性方程组。采用相应的数值算法直接求解或者迭代求解，即可完成一次分析步的计算。

以上过程为OpenSEES分析的标准过程，但这种分析过程并不是唯一的，例如，岩土地震工程领域中，沙土液化问题需要在两相介质见转换材料参数，类似的分析过程在OpenSEES也有研究应用。

参考文献：

白久林. 结构失效模式分析及优化初探[D].哈尔滨工业大学,2010