【STKO 助力OpenSEES】正交正放四角锥网架的数值模拟分享

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小编认为，有限元的学习应该兼具GUI操作和code 运行，在起步入门阶段，应该着手GUI。其次，熟悉与GUI相伴的code，实现整体模拟效率的提升，如实现参数化分析。所以有限元的学习，应该从GUI 入手（默认已掌握相应理论），最终根据GUI和code的各自优势，针对自己的需求，实现在GUI 和code 中灵活变换，高效地解决问题。

1前言

OpenSees (OS) 是太平洋地震工程研究中心 (PEER) 所支持开发的软件框架，用于模拟结构和岩土系统在地震作用下的性能，其目的在于通过开源改进地震工程中建模和计算模拟。OS一经问世，便因其开源特性得到学术界的欢迎，在诸多学者贡献下，构建起丰富的材料库和单元库，并在地震工程中得到广泛应用。然而OS的应用主要依赖于tcl等编程语言，并无友好的前后处理界面，为初学者设置了一定的学习难度。

针对这一情况，STKO为OS提供了优秀的前后处理器，集成了先进的3D-CAD建模器、网格划分算法、Python接口以及常用的可视化云图工具，使得复杂模型的建模和数据处理难度降低。

本文基于STKO软件，提供了铰接网架建模的两种方式，以说明STKO的便利性。

2案例

案例信息如图一所示，为一标准的正交正放四角锥网架，网格尺寸为3m×3m，横纵两个方向各6个网格，网架厚度为3m。其中值得注意的是，STKO提供了基于Python的API接口，可基于Python脚本执行重复的建模命令，为类似网架结构的几何建模提供便利。


图1 模型概况	图2 基于Python脚本的参数化建模

3网架的模拟方法

在网架的计算中，多假定杆件通过节点彼此铰接，为此可采用truss单元模拟铰接杆件，如图3所示。


（a）物理属性	(b) 单元属性
图3 truss单元的应用

truss单元概念简单，计算代价也较小，适用于网架的一般弹性分析，但truss单元不能考虑几何非线性的影响，同时无法直接得到杆件截面的应力情况。

为此，可采用Hingedbeam单元，即由纤维梁柱单元，如forceBeamColumn，两端连接零长度单元Zero_length_elements构成，其中Zero_length_elements单元中释放转动自由度以模拟铰接。具体实现方法可参考张平博士往期教学视频中对铰接梁的实现。


（a）物理属性	(b) 单元属性
图4 Hingedbeams单元的应用

4计算结果

对于模型的后处理，stko可读取mpco计算结果文件，生成位移云图、应力云图等各类可视化云图用于分析，分别建立应用truss单元和Hingedbeam单元的案列网架用于分析，施加静力荷载查看其结果的异同。


（a） truss单元	(b) Hingedbeam单元
图5 两种建模方式的差异

可见，在不考虑几何非线性的情况下，两种建模方式取得了一致的结果。可在forceBeamColumn单元中选用P-Delta Transformation项以进一步考虑二阶的P-Delta 效应。

5结语

OpenSees自1999年创立，历经诸多学者的改进和丰富，被广泛地应用于地震工程的分析中，STKO作为OpenSees的可视化平台，提供了丰富的几何建模工具、覆盖全面的材料库和单元选择、可靠的分析环境以及便利的后处理界面，为OpenSees的推广和应用提供了很大帮助，使初学者易于上手，使熟练的QS使用者能够更专注于问题本身而非代码编译。

笔者4月幸运地取得STKO的试用资格，又幸得群内张博士等诸多同侪的帮助，在此一并表示感谢！

以上仅为笔者本人的使用感悟，如有理解不当，使用错误之处，恳请诸君不吝指正。