1、材料成形計算機模擬基于MSC Marc有限元實例仿真 專 業：機械設計制造及其自動化班 級：機 械 1212 班姓 名：黃河學 號：0806111406指導老師：湛利華老師摘 要通過三次課外上機，在老師的指導下練習使用Marc2010，意在熟悉有限元建模、求解及結果分析步驟和方法；能利用Marc軟件對實例結構進行靜力有限元分析；加深有限元理論關于網格劃分概念、劃分原則等的理解。 Marc仿真分析過程如下： （1）前處理：有限元分析的最終目的是還原一個實際工程系統的數學行為特征， 即分析必須針對一個物理原型準確的數學模型。Marc分析的前處理主要就是用來進行建模與網格劃分，前處理包括單元類型實常

2、數、材料、屬性、建模和劃分網格。 （2）加載求解：有限元模型建好后，就可以進入求解器進行加載求解。當施加載荷和邊界條件的面、節點或單元比較多時，應該用實體選擇命令把這些對象選出來，然后在其上施加載荷或邊界條件， 以保證所施加的載荷或邊界條件的正確性。 （3）后處理：Marc的后處理過程即為采集求解器處理分析的結果，提取用戶所需的信息，了解計算機結果的過程。后處理處理器可以用來查看整個模型在某一時間段的計算結果和用來查看模型的某一部分在整個時間段上的計算結果， 還可以生成動畫，Marc提供的現成的動畫制作功能已經非常豐富，各種計算結果的變形動畫、時間歷程動畫、切片動畫、粒子軌跡動畫等。 目 錄1

3、、 MSC Marc簡介.32、 軟件應用介紹.33、 實例內容.54、 求解步驟1、網格定義62、幾何定義63、邊界條件74、定義初始化105、材料性質106、定義接觸147、定義加載歷程158、定義JOBS169、結果分析顯示195、 總結 20六、參考文獻.21 一、 MSC Marc簡介 MSC.Marc是功能齊全的高級非線性有限元軟件的求解器，體現了30年來有限元分析的理論方法和軟件實踐的完美結合，它具有極強的結構分析能力。可以處理各種線性和非線性結構分析包括：線性/非線性靜力分析、模態分析、簡諧響應分析、頻譜分析、隨機振動分析、動力響應分析、自動的靜/動力接觸、屈曲/失穩、失效和破

4、壞分析等。它提供了豐富的結構單元、連續單元和特殊單元的單元庫，幾乎每種單元都具有處理大變形幾何非線性,材料非線性和包括接觸在內的邊界條件非線性以及組合的高度非線性的超強能力。 MARC的結構分析材料庫提供了模擬金屬、非金屬、聚合物、巖土、復合材料等多種線性和非線復雜材料行為的材料模型。分析采用具有高數值穩定性、高精度和快速收斂的高度非線性問題求解技術。為了進一步提高計算精度和分析效率，MARC軟件提供了多種功能強大的加載步長自適應控制技術，自動確定分析曲屈、蠕變、熱彈塑性和動力響應的加載步長。MARC卓越的網格自適應技術，以多種誤差準則自動調節網格疏密，不僅可提高大型線性結構分析精度，而且能對

5、局部非線性應變集中、移動邊界或接觸分析提供優化的網格密度，既保證計算精度，同時也使非線性分析的計算效率大大提高。 此外，MARC支持全自動二維網格和三維網格重劃，用以糾正過渡變形后產生的網格畸變，確保大變形分析的繼續進行。對非結構的場問題如包含對流、輻射、相變潛熱等復雜邊界條件的非線性傳熱問題的溫度場，以及流場、電場、磁場，也提供了相應的分析求解能力；并具有模擬流熱固、土壤滲流、聲結構、耦合電磁、電熱、電熱結構以及熱結構等多種耦合場的分析能力。 為了滿足高級用戶的特殊需要和進行二次開發，MSC.Marc提供了方便的開放式用戶環境。這些用戶子程序入口幾乎覆蓋了MARC有限元分析的所有環節，從幾何

6、建模、網格劃分、邊界定義、材料選擇到分析求解、結果輸出、用戶都能夠訪問并修改程序的缺省設置。在MSC.Marc軟件的原有功能的框架下，用戶能夠極大地擴展MARC有限元軟件的分析能力。二、軟件應用介紹有限元分析是對于結構力學分析迅速發展起來的一種現在計算方法。它是50年代首先在連續體力學領域飛機結構靜、動態特性分析中應用的一種有效的數值分析方法，隨后很快廣泛的應于求解熱傳導、電磁場、流體力學等連連續行問題。想要解答，必須先簡化結構，采用數值模擬方法分析。（一）有限元軟件發展特點1. 單一場計算向多物理耦合場問題的求解發展2. 由求解線性問題發展到求解非線性問題 3. 與CAD/CAM等軟件的集成

7、4. 提高自動化的網格處理能力5軟件面向專業用戶的開放性6. 軟件開發強強聯合(二)、分析研究過程1、前處理（1）建模有限元分析的最終目的是還原一個實際工程系統的數學行為特征， 即分析必須針對一個物理原型準確的數學模型。Marc分析的前處理主要就是用來進行建模與網格劃分，前處理包括單元類型實常數、材料、屬性、建模和劃分網格。(2)單元選擇有限元模型可分為2D和3D 兩種,可以由點單元,線單元,面單元或實體單元組成,也可將不同類型的單元混合使用。（3）網格劃分網格劃分是其中一個重要的步驟，網格劃分的好壞，直接影響到計算的精度和速度，網格劃分方法主要有自由網格劃分、映射網格劃分和體掃掠網格劃分三種

8、。2、加載求解有限元模型建好后，就可以進入求解器進行加載求解。當施加載荷和邊界條件的面、節點或單元比較多時，應該用實體選擇命令把這些對象選出來，然后在其上施加載荷或邊界條件， 以保證所施加的載荷或邊界條件的正確性。3.后處理Marc的后處理過程即為采集求解器處理分析的結果，提取用戶所需的信息，了解計算機結果的過程。后處理處理器可以用來查看整個模型在某一時間段的計算結果和用來查看模型的某一部分在整個時間段上的計算結果， 還可以生成動畫，Marc提供的現成的動畫制作功能已經非常豐富，各種計算結果的變形動畫、時間歷程動畫、切片動畫、粒子軌跡動畫等。三、實例內容用Marc/Mentat 分析包括大變形

9、、自動熱接觸的熱-機耦合問題的實例。結構是一受鋼塊擠壓的鋁環，二者變形均予考慮，鋁環變形過程中的變形生熱和熱接觸也包括在內四、求解步驟 1、網格定義 MAINFILESSAVE AS e10x6.mudOKMESH GENERATION (創建網格模型)SRFS: ADD （生成曲面）POINT( 0, 13.5, 0)POINT(9, 13.5, 0)POINT(9, 27, 0)POINT(0, 27, 0)SRFS: ADDPOINT(9, 0 , 0)POINT(15, 0, 0)POINT(15, 42, 0)POINT(9, 42, 0)CONVERT (將生成的面轉化為網格)DI

10、VISIONS 9 15 （指定在兩個方向上單元的劃分數目）SURFACES TO ELEMENTS 1 （將曲面1 轉化為板狀9*15 單元）END LIST(#)DIVISIONS 6 25SURFACES TO ELEMENTS 2 （將曲面2 轉化為板狀6*25 單元）END LIST(#)RETURNSELECT （選擇功能）STORE:ELEMENTS （鍵盤輸入集合名domain 1）domain 1 （從單元1 到單元135，下圖中的A 所指）OKEND LIST(#)STORE:ELEMENTS （鍵盤輸入集合名domain 2）domain 2 （從單元136 到單元285

11、，下圖中的B 指向）OKEND LIST(#)2、幾何定義 MAINGEOMETRIC PROPERTIESNEWAXISYMMETRICSOLIDCONSTANT DILATATION(on) (常體積)OKELEMENTS:ADDdomain 1(on)OK3、邊界條件MAINBOUNDARY CONDITIONSNEWTHERMALFIXED TEMPERATUREON TEMERATURE(TOP) 20OKNODES:ADD (選擇鋼塊右端邊上的所有節點，指定鋼塊右端的溫度為20)END LIST(#)NEWMACHANICALFIXED DISPLACEMENTON X DISPL

12、ACEMENTOKNODES:ADD (選擇鋁塊左段的所有節點，指定其左端無位移)END LIST(#)NEWFIXED DISPLACEMENTON Y DISPLACEMENTOKNODES:ADD (鋼塊最下端的邊上的所有節點，指定鋼塊環向無位移)END LIST(#)NEW （每個增量步鋼塊右端向左前進0.045mm，用表格控制）FIXED DISPLACEMENTOKTABLESNAME disp.TABLE TYPE timeOKADD POINT0 00.03 1FITRETURNFIXED DISPLACEMENTON X DISPLACEMENT -4.5(mm)TABLE

13、disp.OKOKNODES:ADD(選擇鋼塊右端邊上的所有節點，指定其軸向位移)END LIST(#) （下示左圖）RETURNNEWTHERMALPLASTIC HEAT GENERATIONON(on)OKELEMENTS:ADD （下示右圖）SET domain 1OK4、定義初始條件 鋁環溫度為427，鋼塊溫度為20。MAININITIAL CONDITIONSNEWTHERMALTEMPERATUREON TEMPERATURE(TOP)427OKNODES:ADD (指定鋁塊的初始溫度為427，節點1-160)END LIST(#)NEWTEMPERATUREON TEMPERA

14、TURE(TOP)20OKNODES:ADD (指定鋼塊的初始溫度為20，節點161-342)END LIST(#)5、材料性質 鋁環為熱彈塑性。E=1000N/mm2，v=0.33，=1.0g/mm3，=1.3*10-5，初始屈服應力3.4N/mm2，相對于200的溫度參考值。200材料的硬化規律是線性的，且服從使屈服塑性應變達70%的屈服應力為5.78N/mm2.而隨溫度每變化1，材料的屈服應力下降0.007N/mm2，由此可以給出隨溫度和塑性應變而變化的屈服應力（用兩個 Table 進行描述）。熱導率 242N/s·，比熱 2.4255Nm/g·,鋼塊為彈性體，它的力

15、學參數為E=100000N/mm2，v=0.3，=1.0g/mm3，它的物理參數為K=19.0N/s·，c=3.77Nmm/g·。MAINMATERIAL PROPERTIESNEWISOTROPIC （各向同性材料）OKTABLES （建立屈服應力與溫度的關系曲線）NEWNAME yieldTABLE TYPE temperatureOKADD POINT200 3.4 700 -0.1FITSCALE 1 1/3.4FITNEW （建立屈服應力與塑性應變的關系曲線）NAME workhardTABLE TYPE plastic_strain(on)OKADD POINT

16、0.0 3.4 0.15 5.1 0.70 5.78 3.45 5.9207FITSCALE 1 1/3.4FITFILLRETURNSHOW MODELISOTROPIC （定義鋁塊的材料性質）YOUNGS MODULUS （楊氏模量）1000POISSIONRATIO （泊松比）0.33ELEASTIC-PLASTIC （屈服應力與溫度和塑性應變的變化關系）INITIAL YIELD STRESS 3.4TABLE (PLASTIC STRAIN) : workhardTABLE (TEMPERATURE) : yieldOKTHERMAL EXP. （熱膨脹系數）THERMAL EXP.

17、COEF 1.3e-5OKOKHEAT TRANSFERCONDUCTIVITY 242 （熱導率）SPECIFIC HEAT 2.4255 （比熱）OKELEMENTS:ADDdomain 1OKNEW （定義鋼塊的材料特性）ISOTROPICYOUNGS MODULUS （楊氏模量）1e5POISSIONRATIO （泊松比）0.3HEAT TRANSFERCONDUCTIVITY 19 （導熱率）SPECIFIC HEAT 3.77 （比熱）OKELEMENTS:ADDdomain 2OK6、定義接觸 定義兩個可變形的接觸體。從接觸收斂性和精度進行考慮，建議先定義較軟的接觸體鋁環，后定義

18、較硬的接觸體鋼塊。并指定接觸傳熱性質，環境溫度為20，與環境介質的對流換熱系數為0.01N/smm，接觸體之間的處于接觸傳熱時的對流放熱系數為35N/smm。摩擦系數1.0。MAINCONTACTCONTACT BODIESNEWDEFORMABLE (定義鋁塊變形接觸體)MECHANICAL PROPERTIESFRICTION COEFFICIENT 1 （定義摩擦系數為1）THERMAL PROPERTIESHEAT TRANSFER COEFFICIENT 0.01 （指定與環境的對流換熱系數為0.01）SINK TEMPERATURE 20 （指定環境溫度20）CONTACT HEA

19、T TRANSFER COEFF. 35 （指定接觸體之間的對流放熱系數為35）OKELEMENTS:ADDSET domain 1OKNEW （定義變形接觸體鋼塊）DEFORMABLEMECHANICAL PROPERTIESFRICTION COEFFICIENT 1 （定義摩擦系數為1）THERMAL PROPERTIESHEAT TRANSFER COEFFICIENT 0.01 （指定與環境的對流換熱系數為0.01）SINK TEMPERATURE 20 （指定環境溫度20）CONTACT HEAT TRANSFER COEFF. 35 （指定接觸體之間的對流放熱系數為35）OKEL

20、EMENTS:ADDSET domain 2OKRETURN7、 定義加載歷程激活加載歷程應分析的邊界條件和接觸表。選擇固定時間步長0.0003s 來分析總的加載時間0.03s 期間的響應。每個增量步鋼塊右端向左前進0.045mm。選用位移判據來判斷收斂性，相對位移誤差設為15%。對傳熱，允許溫度迭代誤差10。MAINLOADCASESNEWCOUPLED （熱-機耦合分析）QUASI-STATIC （準靜態的熱-機耦合分析）CONVERGENCE TESTING （選擇迭代收斂誤差及準則）DISPLACEMENT(on) （采用位移判據）RELATIVE DISPLACEMENT TOLER

21、ANCE （指定位移判據的相對誤差為15%）0.15MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE （指定溫度的迭代誤差為10）10OKTOTAL LOADCASE TIME 0.03 （總的載荷歷程時間0.03s）FIED: PARAMETER# STEP 100 （采用固定步長的總時間步為100）OK8、定義JOBS進入JOBS>ANALYSIS OPTION，點擊UPDATE，FINITE 和LARGE DISP選項，指明所要進行的熱機耦合是用更新的Lagrange 處理大塑性變形。MAINJOBSNEWNAMEcouple_stressCOUPLED （指定熱

22、-機耦合分析）lcase1(selected LOADCASES)AXISYMMTRIC(on) （指定為軸對稱）INITIAL LOADS （模型定義的初始條件和載荷）apply 4(off)CONTACT CONTROLTYPESHEAR ARCTANGENT(VELOCITY)（指定接觸應力為剪應力）OKANALYSIS OPTIONSLARGE DISPLACEMENT(on) （指定進行大位移幾何非線性分析）ADVANCED(on)UPDATED LAGRANGE PROCEDURE(on) （采用更新的拉格朗日法）OKOKPLASTIC PROCEDURE:SMALL STRAIN(off)LARGE STRAIN ADDTIVE(on) （采用大塑性應變）OKJOB RESULTS (指定后處理文件中的分析結果)Equivalent Von Mises Stress(on)Total Equivalent Plastic Strain(on)OKOKELEMENT TYPE （非隱含的單元種類的指定）COUPLEDAXISYMMETRIC SOLID10OKSETdomain 1OKAXISYMMETRIC SOLID116OKSETdomain 2OKRETURNRETURNCHECKSAVERUN （作業遞交運行菜