劃重點：通過本文，你會了解OpenSEES(以下簡稱OS)基于tcl 和C++混合編程的實質，會洞悉一個有限元軟件的三大主要部分，會明白現在OS的不足。并在對一個有限元軟件宏觀認識的基礎上愛上OS，同時借助專為OS量身定制的STKO 玩轉OS,無需理會tcl編寫腳本，如同操作sap2000一般，盡情享用OS的強大的求解器和無線壯大的材料庫，單元庫和算法。（此推文由心塵軒博士執(zhí)筆，就讀于香港理工大學結構工程，如果您有興趣，不妨加入QQ群752746704，交流學習）

曾幾何時，初識OS的研究生都會在師兄或者老師的嘴里聽說過OS的強大，什么開源啊，高效啊。可當我們自己慢慢叩開OS的大門的時候，面對一個僅有exe文件的黑框，是否也曾懷疑過人生。這是啥，這和我們常見的有限元，如ABAQUS, ANSYS, PERFORM3D,ETABS,SAP2000等都大不一樣，沒有基于GUI（圖形用戶交互）界面，似乎就是個寂寞，可為什么現在越來越多的研究員對其飛蛾撲火呢，這里面一定有不可告人的秘密，今天小編就帶大家領略一下OS的魅力，領略PEER前輩的無私和大愛。

1.? 不一樣的有限元

準確的來說，OS不是一個有限元軟件，實質上它是一個求解器，當搭配上tcl 腳本后，才能名義上算得上有限元軟件。Tcl 腳本充當了類似一般可視化有限元的前后處理器，連同OS求解器組裝成的有限元。于是看到這里，很多人會以位OS是tcl編寫的代碼，如果這樣想，你就大錯特錯了，你離OS的內核還太遠。我們所編寫的tcl腳本，僅僅是OS代碼的冰山一角，它的職責僅僅是激發(fā)tcl與C++的接口，即tcl的代碼僅僅告訴OS你要調用哪些材料庫，哪些單元庫，哪些算法的源代碼，由這些源代碼對有限元模型進行剛度矩陣方程的求解（典型的NR method）靜力計算，或者采用NM方法 積分的動力計算。所以學習OS如果你不知道源代碼，是一件非常遺憾地事情，我們可以不會編寫，但是我們一定要知道它的存在，才能感概老前輩們的無私。

在官方（Open System for Earthquake Engineering Simulation - Home Page (berkeley.edu)）頁面，我們可以輕松下載源代碼，如圖1。

這里裝的是啥，我們打開它，如圖2，很多文件夾，如單元，材料，模型，記錄等，當我們再次點擊這些文件夾，以材料文件為例，狠狠的打開它。這才恍然大悟，原來里面裝的都是每個我們在編寫tcl 語句中使用的材料對應的頭文件（.h）和主體代碼(.Cpp).換句話說，tcl編寫的語句，僅僅是告訴OS我要用這些材料，單元，算法，而實際上真正計算模型的是OS在調用這些C代碼。這里也解釋，為什么同樣規(guī)模的數值模型，OS的求解速度會比ABAQUS之類要快很多，是因為求解的內核C語言對于計算機的資源調動和利用是非常高的，這也是為什么，很多很軟件底層語言都會選擇C語言得原因。

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上述得分析我們向我們闡釋了一個事實，實際上，OS的計算模型的原理從解讀代碼的角度就是tcl+c++的混合編程。為什么要混合編程，其實思想就是物盡其用。C語言擅長計算，那么把和計算相關的材料，單元，算法都用C編制，而對于建立幾何模型和設置參數，對計算的性能需求不高，就用tcl補充，所謂相得益彰。

綜上分析，我們可以知道傳統(tǒng)基于tcl 編制，通過tcl和C的相互接口，實現數據交互，進而實現了tcl 滿足前后處理，C實現求解器的不一樣的有限元。

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2.? OS的包容和高效

接下來我們來談一談，為什么說OS是無私和包容的軟件。其實OS的魅力也就是因為此，也必將因為此成為日后研究圈的一顆明星。PEER前輩們通過自己的努力，編寫了這些源代碼，最后他們決定將這些源代碼，免費的貢獻出來，在學術圈共享。這是多么偉大的舉措，沒有商業(yè)化，純粹的學術的追求。因為在這樣的情懷下（當然最重要還是這些源代碼寫的好），越來越多的科研人員開始使用。隨著用戶的需求隨著課題不斷地開展，用戶對當前的材料庫，單元庫，算法也越來越不滿足，恰恰又因為C語言具有封裝，繼承，和多態(tài)的特征，使得OS具有開源的特點。允許任何研究者對現有的材料庫，單元庫，算法庫等進行修改和擴充，這也是為什么，幾十年的發(fā)展，在包容的情懷下，OS匯集全世界科研人員共同的努力也越來約豐富，這也是為什么筆者認為，OS必將是未來一顆屹立不倒的新星，因為它不是一個人在戰(zhàn)斗，是全世界的研究人員都在開發(fā)它，為它的充實在努力，這肯定比一個公司研發(fā)人員的智慧多了去。

那么如何開發(fā)它，其實這是很復雜的過程，需要一定的編程能力，因為開發(fā)新的材料，單元，或者算法，自然你要先了解PEER前輩是如何做，你遵循他們的邏輯，自然也就很容易實現，這里可以跟大家簡單分享下。

開發(fā)新的材料，需要有開發(fā)編譯代碼的環(huán)境，我們經常使用VS，如圖3，這基本是每個做編程人員的必備。

其次我們要仿照OS現有的材料格式，如圖4的selfcentringMaterial.cpp格式，根據自己想要材料的滯回規(guī)則編寫你的代碼，然后在根據selfcentringMaterial.h格式，編寫對應的頭文件，最后將這樣的newMAaterial.h和newMaterial.cpp文件添加到uniaxial文件下，對其編譯，調試，直至成功。之后，生成的opensees.exe執(zhí)行文件，這時就可以使用你自己開發(fā)的材料啦。其實上述的過程也解釋為什么berkeley網站不定時會更新OS的版本，一方面是修正bug，另一方面給就是擴充單元庫和材料庫，講到這，小伙伴們，趕快去官網下載最新的版本吧。對于OS的高效，那是因為C語言本身特征決定的。

3.? STKO帶你無需理會tcl玩轉OpenSEES

上述兩節(jié)，差不多把OS求解的功能夸上天，它沒有掣肘的地方么，他那么優(yōu)秀，為什么普及率還是不高。正所謂成也蕭何敗也蕭何，OS太牛，開發(fā)者更牛，他們混跡學術圈，也不管我們剛入門的小蝦米，他們以為tcl 語言建模的過程就等同是GUI窗口了，而事實是，tcl對于不學編程的學生來說，我們也想說NO啊，更別說工程界的設計人員了，這就使得OS的受眾不大。

劃重點，不要怕，救星來啦，由意大利軟件開發(fā)公司ASDEA為OS量身定做的STKO，完美解決了這個問題。讓我們無需理會tcl,直接像操作SAP2000一樣操作OS。請聽我慢慢道來。

OS強在求解效率，而且是開源免費，那么開發(fā)一款新的有限元只要搭載OS即可，這也是STKO研發(fā)的思路，無縫對接OS。通過GUI操作，建立幾何模型，賦予材料，單元，截面，邊界，分析設置，和SAP2000一樣，點擊運行，計算完成，即時查看后處理，可以查看更多，更細致的結構，包括積分點纖維的應力應變。閑話不多說，上案例。

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################################自復位鋼框架###############################

Step 1通過點擊鼠標，類似SAP2000，或者baqus 模型數一樣，兩三分鐘即可實現幾何模型搭建，這樣的莫模型。

Step 2 劃分網格建立有限元，也僅需點擊mesh。

Step 3 計算。點擊analysis即可。

Step 4 后處理查看結果?？梢钥磩討B(tài)變形，可以看積分點纖維應力應變，依次如下圖。自然，我們也可以很方便的得到我們的滯回曲線圖。

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在這一通GUI的操作下，我們也會很方便對我們的模型進行有目的的糾錯。在整個過程中，我們沒有理會任何的代碼編程，僅僅就把它當作一個普通的可視化有限元進行處理，多么迎合我們一貫的行為啊。所以在這里強烈推薦大家可以學習這一款由意大利ASDEA開發(fā)的STKO，讓它帶我們玩轉OS吧。

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結后語：我們致力于擴大將這么強大的OS 求解器在中國乃至世界的用戶群體，讓我們的設計搭載由全世界科研人員努力的智慧，也使得科研得以回饋社會。