无需TCL编程能力，STKO带你轻松玩转OpenSEES

笔者：心尘轩/Angus

划重点：通过本文，你会了解OpenSEES(以下简称OS)基于tcl 和C++混合编程的实质，会洞悉一个有限元软件的三大主要部分，会明白现在OS的不足。并在对一个有限元软件宏观认识的基础上爱上OS，同时借助专为OS量身定制的STKO 玩转OS,无需理会tcl编写脚本，如同操作sap2000一般，尽情享用OS的强大的求解器和无线壮大的材料库，单元库和算法。

曾几何时，初识OS的研究生都会在师兄或者老师的嘴里听说过OS的强大，什么开源啊，高效啊。可当我们自己慢慢叩开OS的大门的时候，面对一个仅有exe文件的黑框，是否也曾怀疑过人生。这是啥，这和我们常见的有限元，如ABAQUS, ANSYS, PERFORM3D,ETABS,SAP2000等都大不一样，没有基于GUI（图形用户交互）界面，似乎就是个寂寞，可为什么现在越来越多的研究员对其飞蛾扑火呢，这里面一定有不可告人的秘密，今天小编就带大家领略一下OS的魅力，领略PEER前辈的无私和大爱。

不一样的有限元

准确的来说，OS不是一个有限元软件，实质上它是一个求解器，当搭配上tcl 脚本后，才能名义上算得上有限元软件。Tcl 脚本充当了类似一般可视化有限元的前后处理器，连同OS求解器组装成的有限元。于是看到这里，很多人会以位OS是tcl编写的代码，如果这样想，你就大错特错了，你离OS的内核还太远。我们所编写的tcl脚本，仅仅是OS代码的冰山一角，它的职责仅仅是激发tcl与C++的接口，即tcl的代码仅仅告诉OS你要调用哪些材料库，哪些单元库，哪些算法的源代码，由这些源代码对有限元模型进行刚度矩阵方程的求解（典型的NR method）静力计算，或者采用NM方法积分的动力计算。所以学习OS如果你不知道源代码，是一件非常遗憾地事情，我们可以不会编写，但是我们一定要知道它的存在，才能感概老前辈们的无私。

在官方（Open System for Earthquake Engineering Simulation - Home Page (berkeley.edu)）页面，我们可以轻松下载源代码，如图1。

图1

这里装的是啥，我们打开它，如图2，很多文件夹，如单元，材料，模型，记录等，当我们再次点击这些文件夹，以材料文件为例，狠狠的打开它。这才恍然大悟，原来里面装的都是每个我们在编写tcl 语句中使用的材料对应的头文件（.h）和主体代码(.Cpp).换句话说，tcl编写的语句，仅仅是告诉OS我要用这些材料，单元，算法，而实际上真正计算模型的是OS在调用这些C代码。这里也解释，为什么同样规模的数值模型，OS的求解速度会比ABAQUS之类要快很多，是因为求解的内核C语言对于计算机的资源调动和利用是非常高的，这也是为什么，很多很软件底层语言都会选择C语言得原因。

图2

上述得分析我们向我们阐释了一个事实，实际上，OS的计算模型的原理从解读代码的角度就是tcl+c++的混合编程。为什么要混合编程，其实思想就是物尽其用。C语言擅长计算，那么把和计算相关的材料，单元，算法都用C编制，而对于建立几何模型和设置参数，对计算的性能需求不高，就用tcl补充，所谓相得益彰。

综上分析，我们可以知道传统基于tcl 编制，通过tcl和C的相互接口，实现数据交互，进而实现了tcl 满足前后处理，C实现求解器的不一样的有限元。

OS的包容和高效

接下来我们来谈一谈，为什么说OS是无私和包容的软件。其实OS的魅力也就是因为此，也必将因为此成为日后研究圈的一颗明星。PEER前辈们通过自己的努力，编写了这些源代码，最后他们决定将这些源代码，免费的贡献出来，在学术圈共享。这是多么伟大的举措，没有商业化，纯粹的学术的追求。因为在这样的情怀下（当然最重要还是这些源代码写的好），越来越多的科研人员开始使用。随着用户的需求随着课题不断地开展，用户对当前的材料库，单元库，算法也越来越不满足，恰恰又因为C语言具有封装，继承，和多态的特征，使得OS具有开源的特点。允许任何研究者对现有的材料库，单元库，算法库等进行修改和扩充，这也是为什么，几十年的发展，在包容的情怀下，OS汇集全世界科研人员共同的努力也越来约丰富，这也是为什么笔者认为，OS必将是未来一颗屹立不倒的新星，因为它不是一个人在战斗，是全世界的研究人员都在开发它，为它的充实在努力，这肯定比一个公司研发人员的智慧多了去。

那么如何开发它，其实这是很复杂的过程，需要一定的编程能力，因为开发新的材料，单元，或者算法，自然你要先了解PEER前辈是如何做，你遵循他们的逻辑，自然也就很容易实现，这里可以跟大家简单分享下。

开发新的材料，需要有开发编译代码的环境，我们经常使用VS，如图3，这基本是每个做编程人员的必备。

图3

其次我们要仿照OS现有的材料格式，如图4的selfcentringMaterial.cpp格式，根据自己想要材料的滞回规则编写你的代码，然后在根据selfcentringMaterial.h格式，编写对应的头文件，最后将这样的newMAaterial.h和newMaterial.cpp文件添加到uniaxial文件下，对其编译，调试，直至成功。之后，生成的opensees.exe执行文件，这时就可以使用你自己开发的材料啦。其实上述的过程也解释为什么berkeley网站不定时会更新OS的版本，一方面是修正bug，另一方面给就是扩充单元库和材料库，讲到这，小伙伴们，赶快去官网下载最新的版本吧。对于OS的高效，那是因为C语言本身特征决定的。

图4

STKO带你无需理会tcl玩转OpenSEES

上述两节，差不多把OS求解的功能夸上天，它没有掣肘的地方么，他那么优秀，为什么普及率还是不高。正所谓成也萧何败也萧何，OS太牛，开发者更牛，他们混迹学术圈，也不管我们刚入门的小虾米，他们以为tcl 语言建模的过程就等同是GUI窗口了，而事实是，tcl对于不学编程的学生来说，我们也想说NO啊，更别说工程界的设计人员了，这就使得OS的受众不大。

划重点，不要怕，救星来啦，由意大利软件开发公司ASDEA为OS量身定做的STKO，完美解决了这个问题。让我们无需理会tcl,直接像操作SAP2000一样操作OS。请听我慢慢道来。

OS强在求解效率，而且是开源免费，那么开发一款新的有限元只要搭载OS即可，这也是STKO研发的思路，无缝对接OS。通过GUI操作，建立几何模型，赋予材料，单元，截面，边界，分析设置，和SAP2000一样，点击运行，计算完成，即时查看后处理，可以查看更多，更细致的结构，包括积分点纤维的应力应变。闲话不多说，上案例。

################################自复位钢框架###############################

Step 1通过点击鼠标，类似SAP2000，或者baqus 模型数一样，两三分钟即可实现几何模型搭建，这样的莫模型。

Step 2 划分网格建立有限元，也仅需点击mesh。

Step 3 计算。点击analysis即可。

Step 4 后处理查看结果。可以看动态变形，可以看积分点纤维应力应变，依次如下图。自然，我们也可以很方便的得到我们的滞回曲线图。

在这一通GUI的操作下，我们也会很方便对我们的模型进行有目的的纠错。在整个过程中，我们没有理会任何的代码编程，仅仅就把它当作一个普通的可视化有限元进行处理，多么迎合我们一贯的行为啊。所以在这里强烈推荐大家可以学习这一款由意大利ASDEA开发的STKO，让它带我们玩转OS吧。

结后语：如果各位看官看完后，对这个软件非常有兴趣，不妨加入交流群（752746704），我们致力于扩大将这么强大的OS 求解器在中国乃至世界的用户群体，让我们的设计搭载由全世界科研人员努力的智慧，也使得科研得以回馈社会。

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