基于MSC Marc有限元实例仿真
专 业：机械设计制造及其自动化
班 级：机 械 1212 班
姓 名：黄河
学 号：**********
指导老师：湛利华老师
摘 要
通过三次课外上机，在老师的指导下练习使用Marc2010，意在熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法；能利用Marc软件对实例结构进行静力有限元分析；加深有限元理论关于网格划分概念、划分原则等的理解。
Marc仿真分析过程如下：
（1）前处理：有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征， 即分析必须针对一个物理原型准确的数学模型。Marc分析的前处理主要就是用来进行建模与网格划分，前处理包括单元类型实常数、材料、属性、建模和划分网格。
（2）加载求解：有限元模型建好后，就可以进入求解器进行加载求解。当施加载荷和边界条件的面、节点或单元比较多时，应该用实体选择命令把这些对象选出来，然后在其上施加载荷或边界条件， 以保证所施加的载荷或边界条件的正确性。
（3）后处理：Marc的后处理过程即为采集求解器处理分析的结果，提取用户所需的信息，了解计算机结果的过程。后处理处理器可以用来查看整个模型在某一时间段的计算结果和用来查看模型的某一部分在整个时间段上的计算结果， 还可以生成动画，Marc提供的现成的动画制作功能已经非常丰富，各种计算结果的变形动画、时间历程动画、切片动画、粒子轨迹动画等。
一、MSC Marc简介................................................................................3
二、软件应用介绍...................................................................................3
三、实例内容...........................................................................................5
四、求解步骤
1、网格定义……………………………………………………6
2、几何定义……………………………………………………6
3、边界条件……………………………………………………7
4、定义初始化………………………………………………10
5、材料性质…………………………………………………10
6、定义接触…………………………………………………14
7、定义加载历程……………………………………………15
8、定义JOBS…………………………………………………16
9、结果分析显示……………………………………………19
五、总结………………………………………………………… 20
六、参考文献.......................................................................................21
一、 MSC Marc简介
MSC.Marc是功能齐全的高级非线性有限元软件的求解器，体现了30年来有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合，它具有极强的结构分析能力。可以处理各种线性和非线性结构分析包括：线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。它提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库，几乎每种单元都具有处理大变形几何非线性,材料非线性和包括接触在内的边界条件非线性以及组合的高度非线性的超强能力。
MARC的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多种线性和非线复杂材料行为的材料模型。分析采用具有高数值稳定性、高精度和快速收敛的高度非线性问题求解技术。为了进一步提高计算精度和分析效率，MARC软件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术，自动确定分析曲屈、蠕变、热弹塑性和动力响应的加载步长。MARC卓越的网格自适应技术，以多种误差准则自动调节网格疏密，不仅可提高大型线性结构分析精度，而且能对局部非线性应变集中、移动边界或接触分析提供优化的网格密度，既保证计算精度，同时也使非线性分析的计算效率大大提高。
此外，MARC支持全自动二维网格和三维网格重划，用以纠正过渡变形后产生的网格畸变，确保大变形分析的继续进行。对非结构的场问题如包含对流、辐射、相变潜热等复杂边界条件的非线性传热问题的温度场，以及流场、电场、磁场，也提供了相应的分析求解能力；并具有模拟流－热－固、土壤渗流、声－结构、耦合电－磁、电－热、电－热－结构以及热－结构等多种耦合场的分析能力。
为了满足高级用户的特殊需要和进行二次开发，MSC.Marc提供了方便的开放式用户环境。这些用户子程序入口几乎覆盖了MARC有限元分析的所有环节，从几何建模、网格划分、边界定义、材料选择到分析求解、结果输出、用户都能够访问并修改程序的缺省设置。在MSC.Marc软件的原有功能的框架下，用户能够极大地扩展MARC有限元软件的分析能力。
二、软件应用介绍
有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现在计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应于求解热传导、电磁场、流体力学等连连续行问题。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。
（一）有限元软件发展特点
1. 单一场计算向多物理耦合场问题的求解发展
2. 由求解线性问题发展到求解非线性问题
3. 与CAD/CAM等软件的集成
4. 提高自动化的网格处理能力
5．软件面向专业用户的开放性
6. 软件开发强强联合
(二)、分析研究过程
1、前处理
（1）建模
有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征， 即分析必须针对一个物理原型准确的数学模型。Marc分析的前处理主要就是用来进行建模与网格划分，前处理包括单元类型实常数、材料、属性、建模和划分网格。
(2)单元选择
有限元模型可分为2D和3D 两种,可以由点单元,线单元,面单元或实体单元组成,也可将不同类型的单元混合使用。
（3）网格划分
网格划分是其中一个重要的步骤，网格划分的好坏，直接影响到计算的精度和速度，网格划分方法主要有自由网格划分、映射网格划分和体扫掠网格划分三种。
2、加载求解
有限元模型建好后，就可以进入求解器进行加载求解。当施加载荷和边界条件的面、节点或单元比较多时，应该用实体选择命令把这些对象选出来，然后在其上施加载荷或边界条件， 以保证所施加的载荷或边界条件的正确性。
3.后处理
Marc的后处理过程即为采集求解器处理分析的结果，提取用户所需的信息，了解计算机结果的过程。后处理处理器可以用来查看整个模型在某一时间段的计算结果和用来查看模型的某一部分在整个时间段上的计算结果， 还可以生成动画，Marc提供的现成的动画制作功能已经非常丰富，各种计算结果的变形动画、时间历程动画、切片动画、粒子轨迹动画等。
三、实例内容
用Marc/Mentat 分析包括大变形、自动热接触的热-机耦合问题的实
例。结构是一受钢块挤压的铝环，二者变形均予考虑，铝环变形过程中的变形生
热和热接触也包括在内
四、求解步骤
1、网格定义
MAIN
FILES
SAVE AS e10x6.mud
OK
MESH GENERATION (创建网格模型)
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: ADD
POINT(9, 0 , 0)
POINT(15, 0, 0)
POINT(15, 42, 0)
POINT(9, 42, 0)
CONVERT (将生成的面转化为网格)
DIVISIONS 9 15 （指定在两个方向上单元的划分数目）
SURFACES TO ELEMENTS 1 （将曲面1 转化为板状9*15 单元）
END LIST(#)
DIVISIONS 6 25
SURFACES TO ELEMENTS 2 （将曲面2 转化为板状6*25 单元）
END LIST(#)
RETURN
SELECT （选择功能）
STORE:ELEMENTS （键盘输入集合名domain 1）
domain 1 （从单元1 到单元135，下图中的A 所指）
OK
END LIST(#)
STORE:ELEMENTS （键盘输入集合名domain 2）
domain 2 （从单元136 到单元285，下图中的B 指向）
OK
END LIST(#)
2、几何定义
MAIN
GEOMETRIC PROPERTIES
NEW
AXISYMMETRIC
SOLID
CONSTANT DILATATION(on) (常体积)
OK
ELEMENTS:ADD
domain 1(on)
OK
3、边界条件
MAIN
BOUNDARY CONDITIONS
NEW
THERMAL
FIXED TEMPERATURE
ON TEMERATURE(TOP) 20
OK
NODES:ADD (选择钢块右端边上的所有节点，指定钢块右端的温度为
20℃)
END LIST(#)
NEW
MACHANICAL
FIXED DISPLACEMENT
ON X DISPLACEMENT
OK
NODES:ADD (选择铝块左段的所有节点，指定其左端无位移)
END LIST(#)
NEW
FIXED DISPLACEMENT
ON Y DISPLACEMENT
OK
NODES:ADD (钢块最下端的边上的所有节点，指定钢块环向无位移)
END LIST(#)
NEW （每个增量步钢块右端向左前进0.045mm，用表格控制）
FIXED DISPLACEMENT
OK
TABLES
NAME disp.
TABLE TYPE time
OK
ADD POINT
0 0
0.03 1
FIT
RETURN
FIXED DISPLACEMENT
ON X DISPLACEMENT -4.5(mm)
TABLE disp.
OK
OK
NODES:ADD(选择钢块右端边上的所有节点，指定其轴向位移)
END LIST(#) （下示左图）
RETURN
NEW
THERMAL
PLASTIC HEAT GENERATION
ON(on)
OK
ELEMENTS:ADD （下示右图）
SET domain 1
OK
4、定义初始条件
铝环温度为427℃，钢块温度为20℃。
MAIN
INITIAL CONDITIONS
NEW
THERMAL
TEMPERATURE
ON TEMPERATURE(TOP)
427
OK
NODES:ADD (指定铝块的初始温度为427℃，节点1-160)
END LIST(#)
NEW
TEMPERATURE
ON TEMPERATURE(TOP)
20
OK
NODES:ADD (指定钢块的初始温度为20℃，节点161-342)
END LIST(#)
5、材料性质
铝环为热弹塑性。E=1000N/mm2，v=0.33，ρ=1.0g/mm3，α=1.3*10-5，初始
屈服应力3.4N/mm2，相对于200℃的温度参考值。200℃材料的硬化规律是线性
的，且服从使屈服塑性应变达70%的屈服应力为5.78N/mm2.而随温度每变化1℃，
材料的屈服应力下降0.007N/mm2，由此可以给出随温度和塑性应变而变化的屈
服应力（用两个 Table 进行描述）。热导率 242N/s·℃，比热 2.4255Nm/g·℃,钢块
为弹性体，它的力学参数为E=100000N/mm2，v=0.3，ρ=1.0g/mm3，它的物理参
数为K=19.0N/s·℃，c=3.77Nmm/g·℃。
MAIN
MATERIAL PROPERTIES
NEW
ISOTROPIC （各向同性材料）
OK
TABLES （建立屈服应力与温度的关系曲线）
NEW
NAME yield
TABLE TYPE temperature
OK
ADD POINT
200 3.4 700 -0.1
FIT
SCALE 1 1/3.4
FIT
NEW （建立屈服应力与塑性应变的关系曲线）
NAME workhard
TABLE TYPE plastic_strain(on)
OK
ADD POINT
0.0 3.4 0.15 5.1 0.70 5.78 3.45 5.9207
FIT
SCALE 1 1/3.4
FIT
FILL
RETURN
SHOW MODEL
ISOTROPIC （定义铝块的材料性质）
YOUNG’S MODULUS （杨氏模量）
1000
POISSION’RATIO （泊松比）
0.33
ELEASTIC-PLASTIC （屈服应力与温度和塑性应变的变化关系）
INITIAL YIELD STRESS 3.4
TABLE (PLASTIC STRAIN) : workhard
TABLE (TEMPERATURE) : yield
OK
THERMAL EXP. （热膨胀系数）
THERMAL EXP.COEF 1.3e-5
OK
OK
HEAT TRANSFER
CONDUCTIVITY 242 （热导率）
SPECIFIC HEAT 2.4255 （比热）
OK
ELEMENTS:ADD
domain 1
OK
NEW （定义钢块的材料特性）
ISOTROPIC
YOUNG’S MODULUS （杨氏模量）
1e5
POISSION’RATIO （泊松比）
0.3
HEAT TRANSFER
CONDUCTIVITY 19 （导热率）
SPECIFIC HEAT 3.77 （比热）
OK
ELEMENTS:ADD
domain 2
OK
6、定义接触
定义两个可变形的接触体。从接触收敛性和精度进行考虑，建议先定义较软
的接触体铝环，后定义较硬的接触体钢块。并指定接触传热性质，环境温度为
20℃，与环境介质的对流换热系数为0.01N/smm℃，接触体之间的处于接触传热
时的对流放热系数为35N/smm℃。摩擦系数1.0。
MAIN
CONTACT
CONTACT BODIES
NEW
DEFORMABLE (定义铝块变形接触体)
MECHANICAL PROPERTIES
FRICTION COEFFICIENT 1 （定义摩擦系数为1）
THERMAL PROPERTIES
HEAT TRANSFER COEFFICIENT 0.01 （指定与环境的对流换热系数为0.01）
SINK TEMPERATURE 20 （指定环境温度20℃）
CONTACT HEAT TRANSFER COEFF. 35 （指定接触体之间的对流
放热系数为35）
OK
ELEMENTS:ADD
SET domain 1
OK
NEW （定义变形接触体钢块）
DEFORMABLE
MECHANICAL PROPERTIES
FRICTION COEFFICIENT 1 （定义摩擦系数为1）
THERMAL PROPERTIES
HEAT TRANSFER COEFFICIENT 0.01 （指定与环境的对流换热系数
为0.01）
SINK TEMPERATURE 20 （指定环境温度20℃）
CONTACT HEAT TRANSFER COEFF. 35 （指定接触体之间的对流
放热系数为35））
OK
ELEMENTS:ADD
SET domain 2
OK
RETURN
7、 定义加载历程
激活加载历程应分析的边界条件和接触表。选择固定时间步长0.0003s 来分
析总的加载时间0.03s 期间的响应。每个增量步钢块右端向左前进0.045mm。选
用位移判据来判断收敛性，相对位移误差设为15%。对传热，允许温度迭代误差
10℃。
MAIN
LOADCASES
NEW
COUPLED （热-机耦合分析）
QUASI-STATIC （准静态的热-机耦合分析）
CONVERGENCE TESTING （选择迭代收敛误差及准则）
DISPLACEMENT(on) （采用位移判据）
RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE （指定位移判据的
相对误差为15%）
0.15
MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE （指定温度的
迭代误差为10℃）
10
OK
TOTAL LOADCASE TIME 0.03 （总的载荷历程时间0.03s）
FIED: PARAMETER
# STEP 100 （采用固定步长的总时间步为100）
OK
8、定义JOBS
进入JOBS>ANALYSIS OPTION，点击UPDATE，FINITE 和LARGE DISP
选项，指明所要进行的热—机耦合是用更新的Lagrange 处理大塑性变形。
MAIN
JOBS
NEW
NAME
couple_stress
COUPLED （指定热-机耦合分析）
lcase1(selected LOADCASES)
AXISYMMTRIC(on) （指定为轴对称）
INITIAL LOADS （模型定义的初始条件和载荷）
apply 4(off)
CONTACT CONTROL
TYPE
SHEAR ARCTANGENT(VELOCITY)（指定接触应力为剪应力）
OK
ANALYSIS OPTIONS
LARGE DISPLACEMENT(on) （指定进行大位移几何非线性分
析）
ADVANCED(on)
UPDATED LAGRANGE PROCEDURE(on) （采用更新的拉
格朗日法）
OK
OK
PLASTIC PROCEDURE:
SMALL STRAIN(off)
LARGE STRAIN ADDTIVE(on) （采用大塑性应变）
OK
JOB RESULTS (指定后处理文件中的分析结果)
Equivalent Von Mises Stress(on)
Total Equivalent Plastic Strain(on)
OK
OK
ELEMENT TYPE （非隐含的单元种类的指定）
COUPLED
AXISYMMETRIC SOLID
10
OK
SET
domain 1
OK
AXISYMMETRIC SOLID
116
OK
SET
domain 2
OK
RETURN
RETURN
CHECK
SAVE
RUN （作业递交运行菜单）
SUBMIT 1 （用SUBMIT 1 批处理文件递交作业，生成Marc 所需要的
数据文件，并运行Marc 分析程序）
MONITOR （监控作业的运行状态）
OK
9、结果分析显示
由于高摩擦力，铝环外径增加，内径减小。表面间相对滑动很小，因此摩擦
力的功也小。等效应力主要集中在钢块中。铝环的摩擦剪应力区有较高的应力峰
值。钢块的弹性变形十分小。对铝环来说，钢块几乎就起到刚性接触体传递位移
的作用。
MAIN
RESULTS
OPEN DEFAULT （打开默认的后处理文件）
SCALAR （指定要处理的显示变量等效的Mises 应力）
Equivalent Von Mises Stress(on)
OK
CONTOUR BAND(on) （用带状云图显示）
DEF&ORIG(on) （显示变形前和变形后的单元网格）
MONITOR （自动显示当前步以后的所有结果）
REWIND （将增量步反转到第一个增量步，并把第一个增量部的结果
读到数据库中）
SCALAR （指定要处理的显示总的等效塑性应变）
Total Equivalent Plastic Strain(on)
OK
MONITOR
五、总结
这门课给了我很大很多的启发。不仅学习了一个软件，更学到了科学的思维和方法，还有耐心。从开始入门都算不上的小白到有些许了解。特别感谢湛老师的辛勤教导，生动活泼的课程氛围，开放的考核形式。湛老师真的好平易近人老师和学长的淳淳教导，这些都是我们成长的必不可少的条件。在此谢谢老师和学长！
参考文献
1、新编Marc有限元实例教程，陈红火， 机械工业出版社，2007.8
2、材料成形计算机模拟，董湘怀，机械工业出版社，2005.8
3、有限元基础教程，曾攀，北京，高等教育出版社，2009.07
4、有限元分析基础，傅永华，武汉大学出版社，2003.08下载本文
