معرفی نرم افزار اپنسیس OpenSees
نرم افزار اپنسیس OpenSees چیست؟
نرمافزار OpenSees (اپنسیس) ازجمله نرمافزارهای تحلیل سازه به روشهای عددی است. تحلیلها در این نرمافزار همچون ABAQUS، PLAXIS و ANSYS مبتنی بر روش اجزای محدود است. اپنسیس بهعنوان قدرتمندترین نرمافزار تحلیل غیرخطی ماکروسازهها شناخته شده است. همچنین این نرمافزار، ابزاری بسیار کارآمد در تحلیل سازهها تحت بار زلزله به شمار میرود. OpenSees مخفف عبارت Open System for Earthquake Engineering Simulation به معنای سیستم باز شبیهسازی مهندسی زلزله است. پژوهشگران دانشگاه برکلی آمریکا اولین نسخهی نرمافزار انسیس را در سال ۱۹۹۰ ارائه دادهاند. هماکنون توسعهی این نرمافزار به عهدهی مرکز تحقیقات مهندسی زلزله، PEER، است. اپنسیس در گرایشهای سازه، ژئوتکنیک و زلزلهی مهندسی عمران، کاربردهای فراوانی دارد.
این نرمافزار به صورت رایگان از طریق آدرسهای اینترنتی در دسترس همگان بوده و کدنویسی آن به صورت باز است.
نحوه دسترسی به نرمافزار اپنسیس OpenSees
بهترین منبع دسترسی به نرمافزار مراجعه به سایت نرمافزار در دانشگاه برکلی با آدرس https://opensees.berkeley.edu/OpenSees/user/download.php میباشد. در این قسمت ابتدا لازم است با آدرس ایمیل خود ثبتنام کنید در مرحله بعدی دو فایل جهت دانلود در اختیار کاربر قرار میگیرد، که یکی از آنها هسته مرکزی و مغز متفکر که در واقع خود نرمافزار اپنسیس است و فایل دوم در واقع مترجم زبان برنامهنویسی Tcl است.
ویژگیهای نرمافزار OpenSees
این نرمافزار مجموعهی کاملی از انواع المانها، مصالح مختلف و روشهای متنوع تحلیل سازه را در خود جای دادهاست. اپنسیس نرمافزاری Open Source و رایگان است و برای استفاده از آن نیازی به خرید لایسنس نیست. علیرغم این موضوع، این نرمافزار ابزاری پذیرفته شده و قابل استناد برای ارائهی مقالات در ژورنالهای معتبر جهانی است. Open Source بودن اپنسیس به این معناست که هم نسخهی قابل اجرا و هم کدهای برنامه به رایگان قابل دسترس هستند. پژوهشگرانی که از اپنسیس استفاده میکنند، میتوانند تغییرات دلخواه خود را اعمال و قابلیتهای جدیدی به نرمافزار اضافه کنند. همچنین میتوانند مصالح، المانها و مدلهای رفتاری موردنظر خود را به کتابخانهی اپنسیس اضافه کنند. این امکان باعث شده تا اپنسیس نسبت به سایر نرمافزارهای مشابه خود، از محبوبیت بیشتری بین محققین برخوردار باشد.
امکان انتقال مدل از نرمافزارهای ETABS و SAP به اپنسیس برای کاربر وجود دارد. همچنین کاربر اپنسیس میتواند تحلیلهای خود را با نرمافزار نامآشنای Matlab لینک کند. بدینصورت که با نوشتن کدی در Matlab، ورودیهای اپنسیس را فراخوانی کرده و خروجیهای موردنیاز را استخراج کند. نرمافزار اپنسیس محیطی متنی دارد و فاقد محیط گرافیکی است. این موضوع ممکن است باعث دشواری کار با نرمافزار و بالا رفتن ضریب اشتباهات شود. در ادامه با جزئیات بیشتری به این محدودیت و چگونگی حل مشکلات ناشی از آن میپردازیم.
محدودیتهای نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees
نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees علاوه بر مزایای فراوان، محدودیتهایی هم دارد. همانطور که اشاره شد، این نرمافزار یک برنامهی کدنویسی محض بهشمار میرود و به همین دلیل هیچ شکلی را با جزئیات لازم بهصورت تصویری نمایش نمیدهد. البته در خود نرم افزار اپنسیس با دستور Plot میتوان گرافیک مدلشده را تا حدودی نمایش داد. دستورهای دیگری هم برای مشاهدهی گرافیکی مدلها در OpenSees تعبیه شده است، با این حال برای دیدن مدلها و بررسی دقیق آنها بهتر است کاربران از برخی نرمافزارهای جانبی استفاده کنند. از جمله این برنامهها میتوان به برنامهی OSP اشاره کرد که با دریافت فایل حاوی گرهها و المانها مدل را نمایش میدهد.
از برنامههای Building TCL و OpenSees Navigator که بر مبنای Matlabاند برای نمایش مدلهای OpenSees استفاده میشود. همچنین میتوان به این منظور از برنامهی VEES که بر مبنای XML است نیز استفاده کرد. نرمافزارهای Gid و OpenSees Post Processing نیز در ویژوآلسازی نتایج تحلیلهای OpenSees پرکاربردند. بهطور کلی کاربران بعد از ساخت گرهها و المانها در OpenSees باید با یکی از این برنامهها آنها را چک کنند تا از صحت پارامترها اطمینان حاصل شود.
اهداف نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees
اهداف زیر برای ایجاد این نرم افزار در نظر گرفته شده اند:
استفاده از یک چارچوب جدید نرم افزاری جهت تکمیل پلتفرم نرم افزاری المان محدود انعطاف پذیر برای مهندسی زلزله که شامل هر دو زمینه مهندسی سازه و ژئوتکنیک باشد.
این نرم افزار یک چارچوب تحقیقاتی تحلیلی معمولی را برای محققین PEER به منظور آموزش دانشجویان و اشتراک گذاری دانش جدید فراهم می کند.
این نرم افزار مکانیزمی را ایجاد می کند که به کمک آن تحقیقات جدید با استفاده از PEER برای انتشار جهت آزمایش و پیاده سازی در صنعت به کار می رود.
این نرم افزار اولین بار برای کاربرد در مهندسی زلزله ایجاد شد اما برای تحلیل های دیگر از جمله باد، آتش و امواج بر روی سیستم های ساختمان، پل و غیره می تواند به کار رود.
برای استفاده همه رایگان است، با این محدودیت که بدون پرداخت لایسنس نمی توان نرم افزارهایی را که از کد اصلی آن استفاده می کنند به فروش رساند.
برنامه های نرم افزار OpenSEES برای انجام تحلیل سیستم های سازه ای، سیستم ژئوتکنیکی و سیستم سازه ای به همراه سیستم ژئوتکنیکی استفاده می شود. رابط اپنسیس بر خلاف دیگر نرم افزار های سازه ای گرافیکی نیست. برای ورود اطلاعات به نرم افزار رابط ما صفحه کلید است. البته در سالهای اخیر برنامه های کمکی مختلفی جهت کابرد راحت تر به صورت گرافیکی ایجاد شده اند.
کاربردهای نرم افزار OpenSees
نرمافزار اپنسیس کاربردهای گستردهای دارد که در ادامه دستهبندی جامعی از آنها ارائه شدهاست.
مدلسازی ژئوتکنیکی ـ Geotechnical
مدلسازی دو و سهبعدی خاک
تحلیل تکفاز و دوفاز خاک
مدلسازی رفتار انواع مصالح (ماسه، رس، …)
مدلسازی پدیدهی روانگرایی
مدلسازی بارگذاری حرارتی و آتش در سازهها
مدلسازی بارهای حرارتی
مدلسازی انتقال حرارت
ارتقای مصالح و مقاطع به حالت Thermal یا حرارتی
انجام تحلیلهای احتمالاتی و قابلیت اعتماد
تحلیل قابلیت اعتماد ـ Reliability Analysis
تحلیل به روشهای Monte Carlo، FORM، SORM و …
تحلیل حساسیت ـ Sensitivity
انجام تحلیلهای موازی
تحلیل در فضاهای موازی
افزایش بهرهوری در مدلسازیهای سنگین
کاهش زمان محاسبات در تحلیلهای تکراری
مدلسازی سازهای ـ Structural
مدلسازی انواع سازهها
مدلسازی رفتار انواع مصالح (فولاد، بتن، …)
بهینهسازی تحلیلها
بهینهسازی ریاضی سازهها
بهینهسازی براساس عملکرد
مدلسازی و تحلیل سازههای طویل مانند پل و خط لوله مدلسازی اندرکنش خاک و سازه در حالت دینامیکی
انجام طیف گستردهای از تحلیلها
تحلیل استاتیکی غیرخطی ـ Static Pushover Analysis
تحلیل استاتیکی چرخهای ـ Static Reversed-Cyclic Analysis
تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی ـ Dynamic Time-Series Analysis
تحلیل دینامیکی فزاینده ـ Incremental Dynamic Analysis
تحلیل تحریک یکنواخت از پایه ـ Uniform-Support Excitation
تحلیل تحریک چندگانه از پایه ـ Multi-Support Excitation
مقدمهای بر بخشهای مختلف نرمافزار OpenSees
این نرمافزار از قسمتهای ذیل تشکیل شده است:
ساخت مدل Model Building
تحلیل Analysis
ضبط کننده Recorder
ساخت مدل Model Building
از این قسمت برای ساخت فیزیک مدل استفاده شده و شامل بخشهای تعریف مدل، تعریف نقطه، تعریف جرم، تعریف مصالح تک محوره، تعریف مصالح چند محوره، تعریف مقطع، تعریف عضو، تعریف قطعه، تعریف حوزه، تعریف تبدیلات هندسی، تعریف سریهای زمانی و تعریف الگوی بار و … میباشد.
انواع مدلهای مصالح تک محوره
۱.مصالح الاستیک Elastic Material
۲.مصالح الاستوپلاستیک کامل Elastic Perfectly Plastic Material
۳.مصالح الاستوپلاستیک همراه با گپ Elastic Perfectly Plastic Gap Material
۴.مصالح موازی Parallel Material
۵.مصالح سری Series Material
۶.مصالح سختشونده Hardening Material
۷.مصالح فولادی Steel۰۱ Material
۸.مصالح بتن Concrete۰۱ Material
۹.مصالح الاستیک بدون کشش Elastic No tesion Material
۱۰.مصالح هیسترزیس Hysteretic Material
۱۱.مصالح ویسکوز Viscous Material
۱۲.مصالح لغزش آرماتور BARSLIP Material
۱۳.مصالح پینچینگ PINCHING۴ Material
انواع مدلهای مقاطع
۱.مقاطع الاستیک Elastic Section
ثابتهای هندسی مقطع و مصالح
۲.مقاطع برآیند Resultant Section
پاسخ کلی نیرو-تغییرمکان
۳.مقاطع الیافی Fiber Section
تقسیم مقطع به نواحی کوچک تا پاسخ یکپارچه شدهای از رفتار تنش-کرنش مصالح حاصل شود.
تحلیل Analysis
مقیدسازی Constraint
در این بخش معادلات مقدار مشخصی را در درجه آزادی اعمال میکنند یا رابطهای را بین درجات آزادی برقرار میسازد.
شمارنده Numberer
مسیر مابین معادلات شمارنده و درجات آزادی و چگونگی ثبت آنها تعیین میشود.
سیستم System
سیستم حل معادلات را مشخص میسازد.
BandGeneral
BandSPD
ProfilesSPD
SparseGeneral
UmfPack
SparseSPD
آزمایش Test
آزمایش همگرایی را جهت رسیدن به معادله زیر به کار میبرد:
Norm Unbalance
Norm Displacement Increment
Energy Increment
الگوریتم Algorithm
تعیین ترتیب گامهای حل در معادله غیرخطی
الگوریتم خطی
الگوریتم نیوتن
الگوریتم نیوتن همراه با جستجوی خطی
الگوریتم نیوتن اصلاح شده
الگوریتم کرایلف-نیوتن
الگوریتم برایدن
الگوریتم BFGS
تحلیل Analysis
در این بخش نوع تحلیل (استاتیکی و یا دینامیکی) تعیین میشود.
ضبطکننده Recorder
ثبت نتایج و خروجیهای مدلهای تحلیل شده
ثبتکننده نقطه Node Recorder
پوش نقطه Envelope Node Recorder
تغییرمکان نسبی Drift Recorder
المان Element Recorder
پوش المان Envelope Element Recorder
نمایش Display Recorder
نمودار Plot Recorder
سیستم حل در نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees
سیستم کدنویسی ستارهای نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees باعث شده تا این نرمافزار سرعت بالایی داشته باشد. سیستم حل اپنسیس از قسمتهای اصلی Model Builder، Domain، Analysis و Recorder تشکیل شده است. در Model Builder بهواسطهی دستورات از پیش تعیینشده فیزیک مدل موردنظر ساخته میشود. با استفاده از ابزارهای موجود در این قسمت؛ نقاط، اجرام، مصالح، مقاطع، اعضا و… قابل تعریف هستند. مدل ساختهشده در این مرحله به مرحلهی بعد ارسال میشود. پردازش و تحلیل دستورات در Domain و Analysis صورت میگیرد. مراحل آنالیز در گامهای زمانی مختلف و با ذخیرهی نتایج در گام قبلی انجام میشود.
همانطورکه پیش از این گفته شد، طیف گستردهای از تحلیلها در اپنسیس در دسترس هستند، بنابراین در این بخش کاربر قادر به انتخاب تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی برای مدلهای خطی و غیرخطی خود خواهد بود. قسمت Recorder نیز خروجی سیستم حل است. وظیفهی Recorder ثبت پاسخها در هر مرحله بهمنظور استفاده در مرحلهی بعدی است. نتایج تحلیلها دراین بخش در قالب فایلهای متنی و نمودارها ثبت و ذخیره میشوند.
همانطور که میدانیم، در کدنویسی معمولی نخست اطلاعات اولیه دریافت میشود، سپس در مرحلهی تحلیل اطلاعات ورودی قفل شده و تنها تحلیل انجام میگردد. بهعبارت دیگر در کدنویسی معمولی در حین تحلیل امکان برگشت و تغییر اطلاعات ورودی وجود ندارد. اما در نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees میتوان در میانهی تحلیل اطلاعات ورودی را تغییر داد. این نکته بهخصوص در بررسی خرابی پیشرونده یا دمپرهای فعال کاربرد فراوانی دارد. تعریف گره و تکیهگاه، تعریف المان، تعریف خروجیها و تعریف دستورات تحلیل چهار مرحلهی اساسی حل مسأله در نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees بهشمار میروند.
چه مسائلی با نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees حل میشود؟
مدلسازی انواع قسمتهای یک المان سازهای با نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees ممکن است. با استفاده از این نرمافزار میتوان تمام قسمتهای یک سازه را از هر نوع و هر جنس مدل کرد. میلگردهای موجود در سطح مقطع یک جزء، بتن اطراف میلگردها با پوششهای حداقلی و حداکثری، خستگی در المانها تحت تاثیر انواع بارگذازی، رفتار هیسترزیسی بهشکل منحنی نیرو-تغییر مکان، گسیختگی برشی، گسیختگی محوری، کاهش مقاومت و نزول سختی تحت تاثیر بارهای سیکلی، اندرکنش خاک و سازه و… تنها بخشی از مسائل کاربردی و مهمی هستند که میتوان با نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees به حل آنها پرداخت.
آشنایی با زبان TCL
در این بخش به برخی نکات مقدماتی زبان برنامهنویسی TCL که زبان اصلی نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees است اشاره و در ادامه برخی از دستورهای اولیه و کاربردی آن را معرفی میکنیم. در این زبان به هیچ وجه حروف یونانی شناسایی نمیشوند و نباید از آنها استفاده کرد. میتوان بهمنظور نامگذاری بهجای استفاده از حروف یونانی نام آنها را با حروف انگلیسی تایپ کرد، مثلاً alpha، beta و… ساختارهای زبان TCL از فرمانهایی که با خطهای جدید یا سمیکلون از هم جدا میشوند پدید میآید. از کروشه برای تعیین محدودهی دستورهای محفوظ استفاده میشود. هنگام تحلیل نخست دستورهای محفوظ بررسی میشوند و در ادامه دستورهای بیرونی بر اساس نتیجهی دستورهای محفوظ تحت ارزیابی قرار میگیرند.
• دستورهای اولیه در زبان TCL
در ادامه، برخی دستورهای اولیه و پایهای در TCL را معرفی میکنیم. دستور set مهمترین دستور مبنا در زبان TCL است و برای جایگذاری عدد در یک متغیر استفاده میشود. در صورتی که بنا به استفاده از یک متغیر در جاهای متفاوتی باشد، کاربر میتواند با یک بار تعریف آن با استفاده از دستور set کار خود را راحت و از شلوغ شدن محیط جلوگیری کند. دستور unset درست خلاف کار دستور set را انجام میدهد و برای خالی کردن متغیر از عدد اختصاصیافته بهکار میرود. با دستور file mkdir فولدر ساخته میشود. از دستور source بهمنظور وارد کردن یک فایل جدید به Domain استفاده میشود.
دستور expr در انجام اعمال ریاضی کاربرد دارد. دستور puts برای نوشتن متن بهکار میرود. دستور incr مقدار متغیر را افزایش میدهد و معمولاً در تعریف حلقه کاربرد دارد. برای اجرای حلقه از دستور for استفاده میشود. برای اجرای حلقه علاوه بر دستور for باید یک متغیر افزایشی تعریف شود. این که متغیر از چه عددی شروع به افزایش کند و تا چه عددی به افزایش ادامه دهد نیز حائز اهمیت است. همچنین تعریف گام افزایشی نیز ضروری است. پس از تعریف این مقادیر دستوری که باید در هر گام حلقه اجرا گردد نوشته میشود.
دستورهای ndm و ndf بهترتیب برای تعیین ابعاد و درجه آزادی بهکار میروند. دستور node برای ایجاد یک گره هدف استفاده میشود. با استفاده از این دستور میتوان مختصاتها و جرمهای مختلف را به گره مدنظر نسبت داد. دستور mass بهمنظور تعیین جرم در گره بهکار میرود. دستور fix در اعمال قید تکیهگاه و ایجاد محدودیت کاربرد دارد. از دستور equalDof برای ایجاد قید دوسویه بین گرهها استفاده میشود. دستور rigidLink برای ایجاد اتصال سخت بهکار میرود. به همین ترتیب انواع دستورهای مقدماتی دیگر نیز در زبان TCL وجود دارند و سایر دستوراتی که در مدلسازی بهکار میروند طبعاً پیچیدگیهای بسیار بیشتری دارند.
• برخی از دیگر دستورات کاربردی TCL
حال به معرفی برخی دستورهای کاربردی TCL در نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees اشاره میکنیم. از دستور Restore برای بازیابی وضعیت قبلی مدل استفاده میشود. دستور Reset برای برگرداندن حالت مدل به حالت اولیه بهکار میرود. دستور Wipe مدلهای قبلی را پاک میکند. از دستور nodeDisp برای بازگشت جابهجایی یا چرخش در گرهی معین استفاده میشود. با دستور Video میتوان تصاویری ویدئویی را که نشاندهندهی حرکت یک سازه هستند، در طی تحلیل آن سازه ایجاد کرد.
دستور Play بهمنظور نمایش آنچه با استفاده از دستور Video ساخته شده بهکار میرود. از دستورهای Transient Analysis و Static Analysis بهترتیب برای محاسبهی پاسخ دینامیکی یک سازه تحت تاثیر بارگذاریهای وابسته به زمان و بررسی رفتار مستقل از زمان یک سازه تحت تاثیر بارگذاریهای مختلف استفاده میشود. دستور Arc-Length Control بهمنظور حل مسائل غیرخطی پیچیده کاربرد دارد. این دستورها و دستورهای مشابه دیگر میتوانند در طراحی، مدلسازی و آنالیز سازهها اهمیت داشته باشند.
چگونه میتوانیم مدل سازهای یا غیرسازهای را مشاهده کنیم؟
خود نرمافزار اپنسیس با دستور recorder display میتواند هندسه مدل را نمایش دهد ولی فقط زمانی امکانپذیر است که سازه به درستی مدل شده باشد و قبل از رسیدن به این دستور مدل دچار ارور خاصی نشده باشد. ولی راههای دیگری جهت نمایش هندسه مدل وجود دارد یکی از این راهها استفاده از نرمافزار OSP(OpenSees Post Processor) میباشد. این برنامه علاوه بر هندسه سازه میتواند مودهای ارتعاش سازه و تغییرشکل سازه بعد از آنالیز را نمایش دهد.
نحوهی نصب نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees
نرم افزار اپنسیس ـ OpenSees بهطور رایگان از طریق آدرس اینترنتی دانشگاه برکلی بدون محدودیت در دسترس کاربران قرار گرفته است. برای دریافت نرمافزار مراجعه به سایت http://OpenSees.berkeley.edu و ثبتنام و انتخاب گزینهی download از سمت چپ کافی خواهد بود. پس از کلیک روی download، کاربران باید ایمیلی را که با آن آن ثبتنام کردهاند وارد کنند. با انجام این کار کاربران در مرحلهی بعدی به صفحهی جدیدی با عنوان OpenSees Executable Distribution هدایت خواهند شد. از این صفحه باید از طریق لینک آبیرنگ تعبیهشده فایل TCL/TK مربوطه دریافت شود. این فایل پیشنیاز اجرای OpenSees است؛ چیزی همانند برنامهی .net framework که پیشنیاز نصب نرمافزار Matlab است.
روش نصب برنامه :
برنامه Active Tcl را در درایو C: نصب نمائید.
پوشه Tcl Editor را در درایو C: کپی نمائید.
نسخهای از فایل exe ای را که میخواهید استفاده کنید در پوشه C:\Tcl editor\bin کپی کنید.
به آدرس C:\Tcl editor\bin رفته روی فایل Tcl Editor.exe کلیک راست کرده و گزینه Send to Desktop را انتخاب نمائید.
از طریق برنامه Tcl editor در Desktop میتوانید از برنامه استفاده نمائید.
همچنین جهت استفاده از نرمافزار راههای مختلفی وجود دارد:
TclEditor
Notepad++
Visual Studio Code
روش اول استفاده از TclEditor است، کاربر میتواند مدلهای خود را در این محیط نوشته و با استفاده از ویرایشگرهای موجود برنامه اپنسیس را فراخوانده و اجرا کند. از دیگر مزایای این محیط، نمایش دستورات OpenSees با رنگ سبز و یا آبی و نمایش دستورات مربوط به زبان برنامهنویسی Tcl با رنگ بنفش، میباشد، که روند نصب و استفاده توضیح داده شد. این محیط دارای دو مشکل میباشد ۱. این برنامه Undo ندارد و فقط یک مرحله به عقب برمیگردد ۲. نمیتوان در آن دادهها را به صورت ستونی انتخاب نمود.
روش دوم استفاده از Notepad++ میباشد، در این روش لازم است کاربر از نوع تغییر یافته نرمافزار اپنسیس استفاده کند زیرا برای ایجاد ویرایشگر فراخوانی مستقیم اوپنسیس در Notepad++ نیاز به تغییراتی وجود دارد برای این کار از نسخه موجود در سایت https://openseeshouse.com/ استفاده میکنیم. در این محیط دو مشکل محیط TclEditor را نخواهیم داشت.
روش سوم استفاده از Visual Studio Code میباشد. که محیط پیشرفتهتری در اختیار کاربر قرار میدهد.
بیشتر بخوانید:
آموزش نرم افزارهای تخصصی مهندسی عمران
خرید کتابهای دست دوم مهندسی عمران
آموزش کاربردی نرم افزار OpenSee
با ما تماس بگیرید... 09925757951
مقالات دیگر
_______________________________________________________