非线性分析程序OpenSees简介与应用
主讲：张沛洲
指导：何政教授
时间：2013.05.03
大连理工大学建设工程学部智能结构研究所
第1次（2学时）一、结构弹性时程分析
1.基本振动微分方程的建立
了解结构弹性时程分析中振动微分方程的建立方法。
第2次（2学时） 2.质量矩阵和阻尼矩阵的建立3.刚度矩阵的建立4.数值求解方法了解振动微分方程中质量、阻尼和刚度矩阵的形成方法，以及动力响应的逐步积分方法。第3次（2学时）二、材料滞回本构模型
1.钢材与钢筋
2.混凝土
了解钢材、钢筋以及混凝土的受拉、受压滞回本构关系。第4次（2学时） 3.钢（筋）与混凝土的粘结了解钢（筋）与混凝土的粘结机理、滞回本构模型。
第5次（2学时）三、截面和构件恢复力模型特点了解纯钢构件、钢-混凝土组合构件以及钢筋混凝土截面和构件恢复力模型特点。
第6次（2学时）四、典型恢复力模型简介
1.模型特点
2.特征参数确定
3.滞回规则的确定
介绍典型截面与构件恢复力模型的特点与参数确定方法。第7次（2学时）五、弹塑性时程分析中的非线性有限单元模型
1.层模型
2.基于刚度的纤维模型
了解非线性分析中的层模型以及基于位移形函数的纤维模型的原理和计算方法。
第8次 3. 基于柔度的纤维模型
了解非线性分析中基于柔度的纤
第9次（2学时）4. 多弹簧模型
了解非线性分析中多弹簧模型
的特点、原理与刚度矩阵的确
定方法。
第10次（2学时）5. 分量模型
了解非线性分析中分量模型的
发展历史、特点与刚度矩阵的
形成方法。
第11次（2学时）6 剪力墙单元模型
了解非线性剪力墙单元类型、
特点以及刚度矩阵的形成方法。
第12次（2学时）六、弹塑性地震反应时程分析
1. 逐步积分法
了解非线性体系动力响应分析
的逐步积分法以及实施流程。
第13次（2学时）2.拐点处理
3.几何非线性的简化考虑
了解非线性体系动力响应分析
拐点处理方法以及几何非线性
的简化考虑方法。
第14次（2学时）4.收敛准则
5.负刚度算法（I）
了解非线性体系动力响应分析
中收敛准则的类型与选择原则
以及跨越极值点的处理数值算
法。
第15次（2学时）5. 负刚度算法（II）
6. 积分方案
了解非线性体系动力响应分析
中积分方案的分类、特点以及
选取准则。
第16次介绍OpenSees程序的特点、历
提纲
OpenSees是什么Part I
?程序的由来及发展
?程序的架构设计
为什么用OpenSees Part II
?OpenSees程序的分析功能
?OpenSees程序的突出优势
?OpenSees程序的学术影响
怎么用OpenSees Part III
?程序使用指南
?建模分析流程
?框架结构非线性动力弹塑性算例分析
imulation 该软件在美国国家自然科学基金（）的资助下，由加州大学伯克利分校太平洋地震工程研究中心（
官网地址：
●OpenSees程序发展简史
?1997年之前，PEER开始推动OpenSees的研发；
?1999年：OpenSees平台的正式推出使用，当时的程序名为G3；
?2003年：NEES（Network for Earthquake Engineering Simulation ）开始支持OpenSees的集成和扩展；
?2004年：OpenSees成为NEES的仿真元件，新材料、新单元、新算法的添加，程序不断完善；?2012年：最新版本OpenSees2.4.0。
●OpenSees基金来源
?PEER（Pacific Earthquake Enginering Research Center）太平洋地震工程研究中心
?NEES（George E. Brown, Jr. Network for Earthquake Engineering Simulation）通过NEESit地震工程模拟网络
?NSF（National Science Foundation）美国国家自然科学基金
NEEShub：https://www.doczj.com/doc/fa15494602.html,/
●OpenSees到底是什么
?是一个面向对象的有限元分析软件架构，不单单是可执行文件exe，更不是一堆代码；?是PEER内部合作研究的一个通信机构，实际上可用于任何组织的合作研究；
?是一个具有无限发展潜力的开源软件。
●什么是软件架构（software framework）
?一系列软件部件的合作，其目的是在特殊的域内建立应用程序；
?决定应用程序体系结构，必须代表设计方案在应用领域的通用性；
?基于能适用于域内绝大多数应用程序的假定；
?框架中各个组件之间松散耦合，利于应用程序的扩展和重用。
●OpenSees的架构是什么样的
?基于C++语言形成；
?主要包括建模模块、求解器模块、记录模块等
1. 程序整体架构Domain
2. 建模模块ModelBuilder
3. 求解器模块Analysis
4. OpenSees不仅仅是FE，而是完美的framework
OpenSees是什么Part I
?程序的由来及发展
?程序的架构设计
为什么用OpenSees Part II
?OpenSees程序的分析功能
?OpenSees程序的突出优势
?OpenSees程序的学术影响
怎么用OpenSees Part III
?程序使用指南
?建模分析流程
?框架结构非线性动力弹塑性算例分析
●分析功能
模态分析、特征值分析、静力线弹性分析、静力非线
性分析、pushover 拟静力分析、动力线弹性分析及复杂的动力非线性分析、可靠度及灵敏度分析等；
●应用领域
涵盖土木工程的多个领域，主要聚焦地震工程的非线
性分析，比如：
1. 高层建筑结构：PEER Tall building initiative
在研项目20层非线性材料单元5万自由度；
2. 桥梁结构：Humboldt Bay Bridge，330米，2万自
由度，考虑非线性土结相互作用。
完全公开的源代码
?学术界共同开发，实现科研合作；
?最新科研成果集成和共享，能够直接利用学术最前沿的成果，更易于实现学术创新。
突出的强非线性
?几何大变形
材料非线性（提供了丰富的材料库）
强大的计算能力
?基于面向对象程序构架的并行计算方法
?高性能云计算能力，比如Open Science Grid 、TerraGrid
全球性的共享机制
?OpenSees具有世界性的学术社区、论坛、定期学术讨论、培训和问题交流，成果在维基百科上公布；?由于上载后的程序代码迅速为学术界共同验证和使用，其学术影响力的快速传播远远超过了学术期刊文章的传播速度，也为学术成果快速产业化提供了渠道。
Part II : OpenSees程序的学术影响
●据OpenSees 官网下载统计，过去半年中，在全世界的用户中，中国用户超过20%，●2011年中国建筑学会抗倒塌专业委员会倒塌模拟大赛，56%参赛者使用OpenSees
●合作开发
自1997年, 近十所美国著名高校一直在参与OpenSees 的合作开发；
●人才培养
基于此平台在美国已经培养出近10位新的教授以及几十位博士生；
●学术创新
许多学术界新概念首先在OpenSees 上被实现和验证；
基于性能的计算；PBEE 风险评估；Hybrid 混合实验等
OpenSees是什么Part I
?程序的由来及发展
?程序的架构设计
为什么用OpenSees Part II
?OpenSees程序的分析功能
?OpenSees程序的突出优势
?OpenSees程序的学术影响
怎么用OpenSees Part III
?程序使用指南
?建模分析流程
?框架结构非线性动力弹塑性算例分析
2) 安装Tcl
安装路径：C:\Program Files\Tcl
1)程序及Tcl 下载页面
https://www.doczj.com/doc/fa15494602.html,/OpenSees/user/download.php
直接解压
3) 安装tcleditor （可选）
说明：将OpenSees.exe 复制到tcleditor 中的bin 文件夹中，再将到tcleditor 复制到C 盘根目录下，运行TclEditor.exe 即可。
1. 程序下载及安装
2. TCL 编译器
?编译器是能够执行用其他计算机语言编写的程序的系统软件，它是一种翻译程序。?Tcl 是一种动态的程序设计语言，同时也是基于字符串的脚本语言，支持：
变量和变量代换数学表达式
基本控制结构（if 、while 、for 、foreach ）函数文件处理
帮助文件：https://www.doczj.com/doc/fa15494602.html,/man/tcl8.5/tutorial/tcltutorial.html
> set a 1> set b $a
> set c [expr 2 + $b]> set d {1 2 three}
> for {set i 1} {$i < 2} {incr i 1} {puts “i equals $i”}
3. TCL 编程规则介绍
运行结果：a 值为1;b 值为1;c 值为3;
d 值为字母与数字组成的字符串1 2 thre
e ；for 循环运行的结果如下：1 equals 12 equals 2