结构力学仿真软件：OpenSees：动力学分析基础：自由振动与强迫振动.pdf

结构力学仿真软件：OpenSees：动力学分析基础：自由振

动与强迫振动

1简介与预备知识

1.1OpenSees软件概述

OpenSees(OpenSystemforEarthquakeEngineeringSimulation)是一个开源的

结构力学仿真软件，主要用于地震工程和结构动力学的分析。它由加州大学伯

克利分校的PacificEarthquakeEngineeringResearchCenter(PEER)开发，旨在为

结构工程师和研究人员提供一个灵活、高效且可扩展的平台，以进行复杂的结

构动力学模拟。

OpenSees的核心优势在于其强大的非线性分析能力，能够处理各种复杂的

材料和结构行为。此外，它支持多种分析类型，包括静力分析、动力分析、模

态分析等，适用于桥梁、建筑物、土木结构等多种结构类型的分析。

1.1.1特点

开源性：OpenSees是完全开源的，允许用户自由地修改和扩展软

件功能。

模块化设计：软件采用模块化设计，便于用户根据需要选择和组

合不同的分析模块。

丰富的材料模型：提供了多种材料模型，包括弹性、塑性、粘弹

性等，以模拟不同材料的力学行为。

广泛的单元类型：支持多种单元类型，如梁、柱、壳、实体单元

等，适用于不同结构的建模。

强大的后处理功能：能够生成详细的分析报告和图形输出，便于

结果的解释和展示。

1.2动力学分析基础理论

动力学分析是结构工程中一个重要的分支，它研究结构在动态载荷作用下

的响应。动力学分析可以分为两大类：自由振动分析和强迫振动分析。

1.2.1自由振动

自由振动是指结构在初始位移或速度的激发下，没有外部载荷作用时的振

动。这种振动的频率和振型完全由结构的固有属性决定，如质量和刚度。自由

振动分析通常用于确定结构的固有频率和振型，这对于结构设计和评估其动力

特性至关重要。

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1.2.1.1固有频率与振型

固有频率：结构在自由振动时的振动频率，反映了结构的固有动

力特性。

振型：结构在特定固有频率下的振动形态，振型可以揭示结构的

薄弱环节。

1.2.2强迫振动

强迫振动是指结构在外部动态载荷作用下的振动。这种振动的频率可能与

结构的固有频率不同，取决于外部载荷的特性。强迫振动分析用于评估结构在

地震、风、爆炸等动态载荷作用下的响应，是结构动力学分析中的关键部分。

1.2.2.1动态载荷与响应

动态载荷：如地震波、风荷载等，这些载荷随时间变化，可能引

起结构的动态响应。

响应：结构在动态载荷作用下的位移、速度、加速度和内力等。

1.3OpenSees安装与环境配置

1.3.1安装步骤

1.下载源码：访问OpenSees的官方网站或GitHub仓库，下载最新

版本的源代码。

2.配置编译环境：确保你的系统中安装了必要的编译工具，如GCC、

CMake等。

3.编译源码：使用CMake配置并生成Makefile，然后执行make命

令编译源代码。

4.安装：执行makeinstall命令安装编译后的OpenSees。

1.3.2环境配置

添加路径：将OpenSees的可执行文件路径添加到系统的环境变量

中，以便在任何位置运行OpenSees。

安装Python接口：OpenSees提供了Python接口，允许用户使用

Python脚本来控制OpenSees的分析过程。安装Python接口需要额外的

步骤，包括安装Python和相应的Python包。

1.3.3示例：使用Python接口进行模态分析

#OpenSeesPy模态分析示例

importopenseespy.openseesasops