写在前面

近期因为课题要求，作者开始学习并使用OpenSees进行有限元时程分析。OpenSees已经被非常多研究人员和工程师使用了，网上有相当多这类教程，如董瀚林、DinoChen，他们的博客对我的学习帮助很大。在学习过程中，我感觉到OpenSees分析，不管是静力分析还是动力分析，都基本遵循一套固定的流程。因此，我想把时程分析的一些步骤都记录下来，也算是记录一下OpenSees的学习体会。

安装

下载

安装非常简单，从官网下载压缩包，这里提供3.3.0版本的下载地址。下载后解压即可。

添加环境变量

为了方便以后使用OpenSees，强烈建议将OpenSees添加到环境变量中。Windows系统下，在刚才解压的目录内找到OpenSees.exe并记录其所在路径，如我的路径是D:\Program Files\OpenSees3.3.0-x64.exe\bin，然后打开系统的环境变量设置（Windows设置->系统->系统信息->高级系统设置->高级->环境变量），然后在下方的系统变量里选定Path，点击编辑，在打开的页面中新建一个path，输入刚才记录的路径，一路确定保存。

两种运行方法

命令行方式

打开命令提示符或者PowerShell，输入opensees，即可进入OpenSees的命令行界面。如果提示错误，说明环境变量没有设置正确。使用命令行运行每输入一步就要回车运行一步，不推荐这种方式进行分析，出错后不容易修改。

tcl文件方式

OpenSees可以运行tcl文件，我们可以将命令全部写到tcl文件中再统一运行，出错了也方便修改。推荐使用VScode编辑tcl文件，可以安装代码高亮插件OpenSees Language和运行插件Code Runner，Code Runner需要进行设置。

打开插件设置

找到并勾选这三个选项

找到并点击Edit in settings.json

在json文件找到这个位置并添加

".tcl": "cd $dir && opensees $filename",
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然后大功告成，可以直接在VScode中点击右上角按钮运行tcl文件。

使用

时程分析基本流程

首先是要对分析对象进行建模，建模是指定义节点、给节点添加质量、定义材料、定义单元截面、定义单元。然后设置记录器，指定你想要在分析过程中记录的信息，如记录节点1的位移。最后是设置分析模型，指定进行动力分析的参数的方法等。

一个简单的例子

该例子创建了下图所示的模型。

wipe;
model BasicBuilder -ndm 2 -ndf 3;  # 二维三自由度模型

# 定义节点
node 11 0. 0.;  # 第一个参数是节点编号，第二第三个参数是坐标
node 21 0. 1.;
fixY 0. 1 1 0;  # 约束位于地面的节点

# 给节点添加质量
mass 21 100. 0.0 0.0;  # 第一个参数是节点编号，后面三个参数分别对应三个自由度方向的质量

# 定义材料（关于材料的参数请查询官网https://opensees.berkeley.edu/wiki/index.php/UniaxialMaterial_Command）
set matID 1;
uniaxialMaterial Concrete01 $matID -4.0 -0.002 0.0 -0.005;  # 第一个参数是材料编号
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单元的截面为四边形纤维截面，如下图所示。

# 定义单元截面
set secID 1;
set h 5.;  # 截面高度
set b 5.;  # 截面宽度
set fiberX 3;  # x向纤维数量
set fiberY 3;  # y向纤维数量
section fiberSec $secID {
  patch quad $matID 3 3 -$b -$h $b -$h $b $h -$b $h;  # 四边形截面
}

# 定义单元
set elemID 11;
set nodeI 11;
set nodeJ 21;
set np 5;  # 高斯积分点
set transfID 1;
geomTransf PDelta $transfID;  # 定义坐标转换
element nonlinearBeamColumn $elemID $nodeI $nodeJ $np $secID $transfID;  # 非线性梁柱单元
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模型建立完成后，可以使用以下命令进行时程分析。

# 设置记录器
recorder Node -file Node.out -time -node 21 -dof 1 disp;  # 输出时间和节点21在自由度1方向的位移

# 设置分析模型
## 设置工况
set GMdirection 1;  # 地震动施加方向
set loadID 400;
set GMfatt 9.8;  # 地震动乘以一个系数
set GMdt 0.01;  # 地震动时间步长
set AccelSeries "Series -dt $GMdt -filePath GM.txt -factor  $GMfatt";  # 读取地震动
pattern UniformExcitation  $loadID  $GMdirection -accel  $AccelSeries;  # 施加激励
## 设置求解器
set Nsteps 1000;  # 总步数
set dt 0.01;  # 分析步长
constraints Transformation;  # 约束方法
numberer Plain;  # 编号方法
system UmfPack;  # 结构体系
test EnergyIncr 1e-4 10;  # 收敛条件
algorithm Newton;  # 求解非线性方程方法
integrator Newmark 0.5 0.25;  # 数值积分方法
analysis Transient;  # 动力分析
analyze $Nsteps $dt;  # 执行分析

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程序运行的结果如下

欢迎关注作者

@zouxlin3

本文出现的代码可在此处下载。

参考资料

[1] https://blog.csdn.net/Lzn_nzL/article/details/117875509

[2] http://www.hanlindong.com/2017/opensees-bootstrap/#%E5%8D%95%E8%87%AA%E7%94%B1%E5%BA%A6%E4%BD%93%E7%B3%BB%E7%9A%84%E5%9C%B0%E9%9C%87%E5%93%8D%E5%BA%94

[3] http://www.hanlindong.com/2020/opensees-how-to-realize/

[4] https://opensees.berkeley.edu/wiki/index.php/Patch_Command