MARC作業(yè)小論文

1、材料成形計算機模擬基于MSC Marc有限元實例仿真 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化班 級：機 械 1212 班姓 名：黃河學(xué) 號：0806111406指導(dǎo)老師：湛利華老師摘 要通過三次課外上機，在老師的指導(dǎo)下練習(xí)使用Marc2010，意在熟悉有限元建模、求解及結(jié)果分析步驟和方法；能利用Marc軟件對實例結(jié)構(gòu)進行靜力有限元分析；加深有限元理論關(guān)于網(wǎng)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(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征， 即分析必須針對一個物理原型準確的數(shù)學(xué)模型。Marc分析的前處理主要就是用來進行建模與網(wǎng)格劃分，前處理包括單元類型實常

2、數(shù)、材料、屬性、建模和劃分網(wǎng)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(dāng)施加載荷和邊界條件的面、節(jié)點或單元比較多時，應(yīng)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(jié)果，提取用戶所需的信息，了解計算機結(jié)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(jié)果和用來查看模型的某一部分在整個時間段上的計算結(jié)果， 還可以生成動畫，Marc提供的現(xiàn)成的動畫制作功能已經(jīng)非常豐富，各種計算結(jié)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(yīng)用介紹.33、 實例內(nèi)容.54、 求解步驟1、網(wǎng)格定義62、幾何定義63、邊界條件74、定義初始化105、材料性質(zhì)106、定義接觸147、定義加載歷程158、定義JOBS169、結(jié)果分析顯示195、 總結(jié) 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(xiàn)了30年來有限元分析的理論方法和軟件實踐的完美結(jié)合，它具有極強的結(jié)構(gòu)分析能力。可以處理各種線性和非線性結(jié)構(gòu)分析包括：線性/非線性靜力分析、模態(tài)分析、簡諧響應(yīng)分析、頻譜分析、隨機振動分析、動力響應(yīng)分析、自動的靜/動力接觸、屈曲/失穩(wěn)、失效和破

4、壞分析等。它提供了豐富的結(jié)構(gòu)單元、連續(xù)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(nèi)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(jié)構(gòu)分析材料庫提供了模擬金屬、非金屬、聚合物、巖土、復(fù)合材料等多種線性和非線復(fù)雜材料行為的材料模型。分析采用具有高數(shù)值穩(wěn)定性、高精度和快速收斂的高度非線性問題求解技術(shù)。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(yīng)控制技術(shù)，自動確定分析曲屈、蠕變、熱彈塑性和動力響應(yīng)的加載步長。MARC卓越的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，以多種誤差準則自動調(diào)節(jié)網(wǎng)格疏密，不僅可提高大型線性結(jié)構(gòu)分析精度，而且能對

5、局部非線性應(yīng)變集中、移動邊界或接觸分析提供優(yōu)化的網(wǎng)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(wǎng)格和三維網(wǎng)格重劃，用以糾正過渡變形后產(chǎn)生的網(wǎng)格畸變，確保大變形分析的繼續(xù)進行。對非結(jié)構(gòu)的場問題如包含對流、輻射、相變潛熱等復(fù)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(yīng)的分析求解能力；并具有模擬流熱固、土壤滲流、聲結(jié)構(gòu)、耦合電磁、電熱、電熱結(jié)構(gòu)以及熱結(jié)構(gòu)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(fā)，MSC.Marc提供了方便的開放式用戶環(huán)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(huán)節(jié)，從幾何

6、建模、網(wǎng)格劃分、邊界定義、材料選擇到分析求解、結(jié)果輸出、用戶都能夠訪問并修改程序的缺省設(shè)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(yīng)用介紹有限元分析是對于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)在計算方法。它是50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域飛機結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛的應(yīng)于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連連續(xù)行問題。想要解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。（一）有限元軟件發(fā)展特點1. 單一場計算向多物理耦合場問題的求解發(fā)展2. 由求解線性問題發(fā)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(wǎng)格處理能力5軟件面向?qū)I(yè)用戶的開放性6. 軟件開發(fā)強強聯(lián)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(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征， 即分析必須針對一個物理原型準確的數(shù)學(xué)模型。Marc分析的前處理主要就是用來進行建模與網(wǎng)格劃分，前處理包括單元類型實常數(shù)、材料、屬性、建模和劃分網(wǎng)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?qū)嶓w單元組成,也可將不同類型的單元混合使用。（3）網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是其中一個重要的步驟，網(wǎng)格劃分的好壞，直接影響到計算的精度和速度，網(wǎng)格劃分方法主要有自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分和體掃掠網(wǎng)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(dāng)施加載荷和邊界條件的面、節(jié)點或單元比較多時，應(yīng)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(jié)果，提取用戶所需的信息，了解計算機結(jié)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(jié)果和用來查看模型的某一部分在整個時間段上的計算結(jié)果， 還可以生成動畫，Marc提供的現(xiàn)成的動畫制作功能已經(jīng)非常豐富，各種計算結(jié)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(nèi)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(jié)構(gòu)是一受鋼塊擠壓的鋁環(huán)，二者變形均予考慮，鋁環(huán)變形過程中的變形生熱和熱接觸也包括在內(nèi)四、求解步驟 1、網(wǎng)格定義 MAINFILESSAVE AS e10x6.mudOKMESH GENERATION (創(chuàng)建網(wǎng)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(zhuǎn)化為網(wǎng)格)DI

10、VISIONS 9 15 （指定在兩個方向上單元的劃分數(shù)目）SURFACES TO ELEMENTS 1 （將曲面1 轉(zhuǎn)化為板狀9*15 單元）END LIST(#)DIVISIONS 6 25SURFACES TO ELEMENTS 2 （將曲面2 轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)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(jié)點，指定鋼塊環(huán)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(jié)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(huán)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(jié)點1-160)END LIST(#)NEWTEMPERATUREON TEMPERA

14、TURE(TOP)20OKNODES:ADD (指定鋼塊的初始溫度為20，節(jié)點161-342)END LIST(#)5、材料性質(zhì) 鋁環(huán)為熱彈塑性。E=1000N/mm2，v=0.33，=1.0g/mm3，=1.3*10-5，初始屈服應(yīng)力3.4N/mm2，相對于200的溫度參考值。200材料的硬化規(guī)律是線性的，且服從使屈服塑性應(yīng)變達70%的屈服應(yīng)力為5.78N/mm2.而隨溫度每變化1，材料的屈服應(yīng)力下降0.007N/mm2，由此可以給出隨溫度和塑性應(yīng)變而變化的屈服應(yīng)力（用兩個 Table 進行描述）。熱導(dǎo)率 242N/s，比熱 2.4255Nm/g,鋼塊為彈性體，它的力學(xué)參數(shù)為E=100000

15、N/mm2，v=0.3，=1.0g/mm3，它的物理參數(shù)為K=19.0N/s，c=3.77Nmm/g。MAINMATERIAL PROPERTIESNEWISOTROPIC （各向同性材料）OKTABLES （建立屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線）NEWNAME yieldTABLE TYPE temperatureOKADD POINT200 3.4 700 -0.1FITSCALE 1 1/3.4FITNEW （建立屈服應(yīng)力與塑性應(yīng)變的關(guān)系曲線）NAME workhardTABLE TYPE plastic_strain(on)OKADD POINT0.0 3.4 0.15 5.1 0.70 5.

16、78 3.45 5.9207FITSCALE 1 1/3.4FITFILLRETURNSHOW MODELISOTROPIC （定義鋁塊的材料性質(zhì)）YOUNGS MODULUS （楊氏模量）1000POISSIONRATIO （泊松比）0.33ELEASTIC-PLASTIC （屈服應(yīng)力與溫度和塑性應(yīng)變的變化關(guān)系）INITIAL YIELD STRESS 3.4TABLE (PLASTIC STRAIN) : workhardTABLE (TEMPERATURE) : yieldOKTHERMAL EXP. （熱膨脹系數(shù)）THERMAL EXP.COEF 1.3e-5OKOKHEAT TRAN

17、SFERCONDUCTIVITY 242 （熱導(dǎo)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(dǎo)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(huán)，后定義較硬的接觸體鋼塊。并指定接觸傳熱性質(zhì)，環(huán)境溫度為

18、20，與環(huán)境介質(zhì)的對流換熱系數(shù)為0.01N/smm，接觸體之間的處于接觸傳熱時的對流放熱系數(shù)為35N/smm。摩擦系數(shù)1.0。MAINCONTACTCONTACT BODIESNEWDEFORMABLE (定義鋁塊變形接觸體)MECHANICAL PROPERTIESFRICTION COEFFICIENT 1 （定義摩擦系數(shù)為1）THERMAL PROPERTIESHEAT TRANSFER COEFFICIENT 0.01 （指定與環(huán)境的對流換熱系數(shù)為0.01）SINK TEMPERATURE 20 （指定環(huán)境溫度20）CONTACT HEAT TRANSFER COEFF. 35 （指定

19、接觸體之間的對流放熱系數(shù)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(shù)為1）THERMAL PROPERTIESHEAT TRANSFER COEFFICIENT 0.01 （指定與環(huán)境的對流換熱系數(shù)為0.01）SINK TEMPERATURE 20 （指定環(huán)境溫度20）CONTACT HEAT TRANSFER COEFF. 35 （指定接觸體之間的對流放熱系數(shù)為35）OKELEMENTS:ADDSET domain 2OK

20、RETURN7、 定義加載歷程激活加載歷程應(yīng)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(yīng)。每個增量步鋼塊右端向左前進0.045mm。選用位移判據(jù)來判斷收斂性，相對位移誤差設(shè)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(tài)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(jù)）RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE （指定位移判據(jù)的相對誤差為15%）0.

21、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JOBSANALYSIS OPTION，點擊UPDATE，F(xiàn)INITE 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-機耦合分析）lcase1(selected LOADC

22、ASES)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(yīng)力為剪應(yīng)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(yīng)變）OKJOB RESULTS (指定后處理文件中的分析結(jié)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(yè)遞交運行