作者：董志波,刘雪松,马瑞,刘建光,王苹
出版社：数字艺术出版分社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
CAE分析大系——MSC.Marc工程实例详解试读：
前言
MSC.Marc是国际上功能最强的大型通用有限元软件之一，其基于位移法的有限元程序，在非线性方面具有强大的功能。拥有能够真实反映材料加工过程的本构模型，能够进行焊接过程和材料加工过程的计算，具有强大的接触处理功能来模拟金属与模具、结构与卡具之间的接触问题，具备处理焊缝金属填充问题的能力，并提供多种焊接热源模型，可以灵活、准确地处理复杂材料加工过程中的应力传递问题。
本书结合一系列的工程应用实例，系统地讲解MSC.Marc在工程领域的数值模拟分析。全书分为3篇，共15章，即入门篇（第1～2章）、焊接应用篇（第3～12章）和材料工程应用篇（第13～15章）。入门篇主要讲解MSC.Marc的基本功能和特点、焊接和材料加工过程中常用的功能模块和简单实例分析，通过此部分的阅读，使读者能够快速了解软件的基本功能和简单的材料工程过程模拟计算分析。焊接应用篇结合大量的工程实例，包括常用的焊接方法的模拟实例，如电弧焊（电弧摆动和电弧旋转）、激光焊、钎焊、搅拌摩擦焊、焊接变形的控制方法（反变形和随焊碾压）和一些大型焊接构件模拟过程常见问题及解决方法，并且此部分内容对焊接过程模拟的模型建立、问题求解和后处理结果中需要考虑的关键问题都进行了讨论和分析，使读者不仅可以掌握焊接中的模拟过程，同时还可以进行自定义材料和子程序的二次开发。材料加工应用篇主要介绍了板材成型和体积成型过程的模拟分析进行了详细介绍，通过此部分的阅读，能够使读者掌握成型过程中模拟的基本理论和关键技术，并且能够利用MSC.Marc软件进行相关成型过程的数值模拟研究工作。
适合读者
本书适合于材料加工工程、焊接技术与工程和结构工程等领域的高校老师和研究生、工程技术人员等阅读和参考。
配套资源
本书随书光盘中提供了书中所有章节涉及的mud模型文件和用户子程序文件，以供读者参考和学习。
互动平台的支持
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需要指出，本书力求读者能够利用Marc有限元分析软件，进行焊接及材料加工过程的数值模拟分析，并能够解决实际工程问题，并且本书提供工程实例的模型文件和用户子程序文件，但由于时间仓促和模拟过程相对较复杂，同时作者水平和能力有限，在书中难免有错漏处，欢迎给我们来信info@dozan. cn批评指正。
全书编写分工如下：全书章节安排及统稿由董志波负责，第1、2、5、10、11、12章由董志波执笔，第7、8、9、15章由刘雪松和王苹执笔，第3、4章由马瑞执笔，第6、13、14章由刘建光和姬书得执笔，参与本书工作的还有郑文健、宋奎晶、张德雨、张家铭、郭军礼等。第1章MSC.Marc的功能和特点
本章导读
MSC.Marc是功能齐全的高级非线性有限元软件，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问题，主要包括：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。为满足工业界和学术界的各种需求，提供了层次丰富、适应性强、能够在多种硬件平台上运行的系列产品。
MSC.Marc是国际上通用的有限元分析软件之一，拥有十分丰富的单元库、功能库、分析库和材料库，用户可以根据各种具体的结构分析进行适当的选择。MSC.Marc在材料加工工程中具有很强的适用性，在本章中，主要介绍MSC.Marc功能和特点。
知识要点
MSC.Marc软件简介
MSC.Marc基础
求解流程1.1MSC.Marc软件简介
MSC.Marc软件是由Analysis Research Corporation（缩写为MARC）开发、维护以及售后的有限元分析软件，是功能齐全的高级非线性有限元软件。对于广阔的工业领域，Marc软件提供先进的虚拟产品的加工过程和运行过程的仿真功能，帮助市场决策者和工程设计人员进行产品优化和设计，解决从简单到复杂的工程应用问题。经过几十余年的不懈努力，Marc软件得到学术界和工业界的大力推崇和广泛应用，成为全球非线性有限元软件行业的主导。1.1.1 MSC.Marc软件产品
MSC.Marc是功能齐全的高级非线性有限软件的求解器，是几十年来有限元分析的理论和软件实践的完美结合，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。MSC.Marc单元库提供了157种单元，包括结构单元、连续单元和特殊单元，几乎每种单元都具有处理大变形几何非线性、材料非线性以及包括接触在内的边界条件非线性的超强能力。MSC.Marc的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土和复合材料等多种线性和非线性复杂材料行为的材料模型，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，MSC.Marc软件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术，自动确定分析屈曲、蠕变、热弹塑性和动力响应的加载步长。MSC.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，不仅能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，保证计算精度的同时也使非线性分析的计算效率大大提高。此外，MSC.Marc支持全自动二维网格和三维网格重划，用于纠正过度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、辐射和相变潜热等复杂边界条件的非线性热问题的温度场，以及流场、电场、磁场也提供了相应的分析求解能力；具有模拟流—热—固、声—结构耦合、土壤渗流、电—磁、电—热、热—结构以及自—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。这些用户子程序接口几乎覆盖了MSC.Marc有限元分析的所有环节，从几何建模、网格划分、材料选择、边界条件定义到分析求解和结果输出，用户可以访问并修改程序的默认设置。在MSC.Marc软件的原有框架下，用户能够极大地扩展MSC.Marc有限元软件的分析能力。1.1.2 MSC.Marc软件的主要功能
MSC.Marc软件包括MSC.Marc与MSC.Mentat两部分。MSC.Mentat是新一代非线性有限元分析的交互界面，与MSC. Marc求解器无缝连接。它具有以ACIS为内核的一流实体造型功能；全自动二维三角形和四边形、三维四面体和六面体网格自动划分建模能力；直观、灵活的多种材料模型定义和边界条件的定义功能；分析过程控制定义和递交分析、自动检查分析模型完整性的功能；实时监控分析功能；方便的可见化处理计算结果能力；先进的光照、渲染、动画以及电影制作等图形功能。MSC.Mentat可直接访问常用的CAD/CAE系统，如ACIS、AutoCAD、CMOLD、IGES、IDEAS、MSC.Nastran、MSC.Paltran、VDAFS、STL等。
MSC.Marc软件功能齐全，提供丰富的分析过程，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、焊接过程温度场/应力场分析等。1.1.3 MSC.Marc软件在材料加工中的适用性
MSC.Marc软件是国际上应用广泛的有限元软件之一，与DEFORM、ABAQUS、ANSYS等软件一样，在国际、国内材料加工领域得到广泛应用和认可。
首先，MSC.Marc软件具有强大的前处理和后处理功能，可以实现非常复杂的塑性加工运动和变形过程的描述，提供丰富的焊接模块。其次，MSC.Marc软件适合塑性加工过程等大变形计算分析，其非线性计算功能强大，因此在材料加工领域获得了广泛应用。另外，MSC.Marc软件是开放性软件，该软件留出了很多二次开发接口，可以根据实际过程分析需要进行新的模型二次开发，这对于科研机构、学术研究和高技术加工企业来说非常必要。MSC.Marc软件在材料加工中具有很强的适用性。1.2MSC.Marc基础
MSC.Marc软件主要由两个模块组成，分别是Mentat前后处理图形交互界面和Marc求解器。 Mentat是新一代非线性有限元分析的前后处理图形交互界面，能与Marc求解器无缝连接。求解器是功能齐全的高级非线性有限元软件的求解器，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。简单地说Mentat就是Marc软件的窗口，通过它可以实现有限元分析的前后处理，使有限元软件应用更加方便，将人们从烦琐的数据准备工作中解放出来。1.2.1 MSC.Marc的软件接口功能
MSC.Marc的前、后处理界面Mentat除了具有功能强大的实体造型模块和极强的网格划分功能外，还可以与以下CAD和CAE软件进行交换的几何造型和有限元模型的数据文件接口，如图1-1所示。（1）ABAQUS：通过与ABAQUS的数据接口读入或写出*.inp文件。（2）ACIS：通过与ACIS的数据接口读入或写出*.sat或*.sab文件。（3）C-MOLD：通过与C-MOLD的数据接口读入*.par文件、*.fem文件、*.mtl文件或*.ppt文件。（4）DXF/DWG：通过与DXF/DWG的数据传送接口读入AutoCAD的*.dxf或*.dwg文件。（5）I-DEAS：通过与I-DEAS的数据接口读入或写出*.unv文件。（6）IGES：通过与IGES的数据接口读入或写出*.igs或*.iges文件。（7）MACR INPUT：通过与MARC INPUTDE的数据接口读入*.dat文件。（8）NASTRAN：通过与NASTRAN的数据接口读入或写出*.bdf或*.nas文件。（9）PATRAN：通过与PATRAN的数据接口读入*.pat或*.out文件。（10）STL：通过与STL数据接口可读取ASCⅡ码和二进制的例题印刷界面指定文件。（11）VDAFS：通过VDAFS的数据接口读入或写出*.vda文件。图1-1 Marc的软件接口功能1.2.2 MSC.Marc功能模块简介
MSC.Marc软件的功能模块包含以下几方面的内容：网格生成、边界条件施加、材料性质和几何性质的定义等，下面简单介绍各个功能模块的作用。（1）Mesh Generation模块：网格生成模块可以完成几何建模、几何模型修整和网格剖分等工作，用户可以在Marc下直接生成，也可以从外部其他软件导入。（2）Geometric Properties 模块：几何性质模块可以实现几何性质参数的定义。（3）Material Properties 模块：材料性质模块可以实现材料性质参数的定义。（4）Modeling Tools 模块：模拟工具的定义。（5）Contact 模块：定义接触边界条件。（6）Initial Conditions 模块：初始边界条件的施加。（7）Boundary Conditions 模块：在边界条件模块的子菜单下，可以完成各种边界条件的施加。（8）Mesh Adaptivity 模块：自适应网格判据参数设定。（9）Loadcases 模块：载荷工况的定义，它负责对在BOUNDARY CONDITIONS中定义的边界条件和对载荷条件进行选择，形成所需要的载荷工况。（10）Jobs 模块：完成作业参数的定义及运行。（11）Results模块：后处理功能模块以图形、动画、电影、曲线、表格和文件等多种形式显示Marc程序进行分析后生成的结果。1.2.3 MSC.Marc的求解流程
MSC.Marc的求解流程可分为前处理、分析和后处理三大步骤，如图1-2所示。
MSC.Marc的前处理过程即对实际的连续体进行离散化后建立几何模型，并对其进行网格划分。在网格划分后，对模型的几何性质、材料性质、接触条件、初始条件以及边界条件进行定义。前处理过程往往被认为是有限元分析中最重要的一部分，其中网格生成是前处理中很重要的一部分，是整个工作中最耗时间和最复杂的一部分工作，对后续每一个步骤的影响较大。
MSC.Marc的分析过程即应用Marc求解器进行计算的过程，分析过程主要包括载荷工况和作业参数的定义并提交运行，整个计算过程在后台进行。
分析过程结束之后就是MSC.Marc的后处理过程，根据工程经验和专业知识判断结论的合理性，从结果中提炼出有用的信息，如具有代表意义的数据、图形等，然后以图形、曲线、动画、电影、表格和文件等多种形式来显示Marc程序进行分析后的结果。图1-2 MSC.Marc求解流程1.3本章小结
本章主要介绍了MSC.Marc软件的主要构成、适用领域、文件格式、主要功能模块以及求解流程，使读者对该软件有一个整体的认识。希望本章能够起到一个引领读者的作用。第2章MSC.Marc快速入门
本章导读
本章详细介绍MSC.Marc的各个功能模块，包括网格生成、几何性质定义和材料性质定义等，可进行几何建模、网格划分、边界条件、初始条件、几何特性和材料特性等设置，施加接触边界条件、连杆约束条件、断裂力学边界条件和单元自适应划分条件，还可进行结构优化参数设置等，另外，可施加各种工况，组织各种计算工况。计算结果可以在Marc的后处理中通过图表、云纹图、数字、动画和曲线显示。
本章以焊接热过程模拟为例，详细介绍MSC.Marc软件的前处理、分析和后处理过程，以便初学者能够较快地掌握该软件的使用方法。
知识要点
MSC.Marc功能模块
MSC.Marc静态菜单
平板对接
温度场分布
残余应力场分布2.1MSC.Marc的功能模块
MSC.Marc软件的用户界面基本上可以分为5个区域，分别是动态菜单区、静态菜单区、人机交互对话区、运行状态显示区和屏幕图形显示区。MSC.Marc的各个功能模块位于动态菜单区，本节对MSC.Marc的功能模块及主要菜单构成进行简单介绍。2.1.1 Mesh Generation 模块
MSC.Marc有两种网格生成方法，第一种是直接划分网格，第二种是由几何实体自动转化为有限元网格。单击如图2-1所示的主菜单中的MESH GENERATION菜单，进入如图2-2所示的网格生成子菜单，该菜单由上而下分为网格生成菜单、坐标和格栅设置菜单、网格加工编辑菜单以及列表键。
1．网格生成菜单
在网格生成部分，可对单元元素如节点（NODES）、单元（ELEMS）及几何元素如点（PTS）、曲线（CRVS）、曲面（SRFS）、实体（SOLIDS）进行操作。基本操作分4种，即添加（ADD）、删除（REM）、编辑（EDIT）和显示（SHOW）。选定单元元素或几何元素后，可使用ADD生成相应元素；如果不需要已生成的单元元素或几何元素，可使用REM删除；使用EDIT可对单元元素或几何元素的组成要素进行修改；使用SHOW可在图形区显示所选元素的各部分组成要素及相关信息，比如显示几何点的空间坐标。
在生成网格时，根据需要改变单元类型（ELEMENT CLASS）、曲线类型（CURVE TYPE）、曲面类型（SURFACE TYPE）和实体类型（SOLID TYPE）。（1）BETWEEN NODE：在两点之间添加一个中间节点。（2）BETWEEN POINT：在两点之间添加一个中间点。（3）ELEMENT CLASS：单元几何类型选择，一共有16种类型，如下：
LINE（2） 两节点直线单元；
LINE（3） 三节点直线单元；
TRIA（3） 三节点三角形单元；
TRIA（3） 六节点三角形单元；
QUAD（4、6、8、9） 4、6、8、9节点四边形单元；
TETRA（4、10） 4、10节点四面体单元；
PENTA（6、15） 6、15节点五面体单元；
HEX（8、12、20、27） 8、12、20、27节点六面体单元。图2-1 前处理菜单图2-2 网格划分菜单（4）CURVE TYPE：定义要添加的曲线类型，包括直线、圆弧和圆等类型的选择。（5）SURFACETYPE：定义要添加的曲面类型，包括双线性曲面、柱面、球面、BEZIER曲面和COONS曲面等的选择。（6）SOLID TYPE：定义要添加的实体类型，包括块（BLOCK）、柱体、球体和圆环体等的选择。
2．坐标和格栅设置菜单
在坐标与格栅设置部分，可根据需要选择坐标系。选择COORDINATE SYSTEM下的SET即可改变坐标系。Marc支持三种坐标系，即直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系，默认为直角坐标系。为了形象地看到当前坐标系，可以把显示坐标系的格栅（GRID）的开关打开，适当调整坐标平面和坐标轴的范围和格栅之间的间距，有助于捕捉所需的几何点。（1）SET：坐标系的设置子菜单，可以设置坐标原点、坐标轴的大小和坐标间距，对坐标轴进行平移或旋转等操作。（2）RECTANGULAR/CYLINDRICAL/SPHERICAL：下拉菜单，可以定义当前的坐标系。（3）GRID（on/off）：格栅显示功能切换开关，on和off状态可相互切换，默认值是关闭格栅显示功能。（4）CLEAR MESH：删除所有的单元网格。（5）CLEAR GEOM：删除所有的几何模型。
3．网格加工编辑菜单（1）ATTACH：用于建立单元元素和相应的几何元素间的从属关系，可以处理将单元节点附着在几何点、面或两个曲面的交线上，将线单元附着在曲线上，将面单元附着在曲面上等。（2）AUTOMESH：自动划分面网格和体网格的工具。在任意形状的平面或曲面上可生成三角形或四边形单元；对任意几何实体可生成四面体或六面体实体单元，由这种方法生成实体单元时，必须先生成实体外表面网格。（3）CHANGE CLASS：对已经生成的几何单元类型进行修改，可实现低阶单元与高阶单元之间的转换，也可以实现四边形单元转换成三角形单元或六面体单元转换成四面体单元。（4）CHECK：提供了对网格的检验功能，可以帮助用户获取网格的质量信息。有些信息对于用户是否能够正确分析来说至关重要，下面对重要的几项进行说明。
UPSIDE DOWN
检查二维平面单元的法线方向，分析二维问题和轴对称问题，要求所有单元节点按照逆时针顺序编号，用此项功能可以迅速筛选出不合格的单元，然后用FLIP ELEMENTS选项更正这些单元的节点编号顺序。
INSIDE OUT
对于三维网格来说，此项功能可以检查出节点编号是否按有限元程序所要求的序列所编排的单元，也可自动筛选出形状过分扭曲可能造成单元的Jacobi矩阵奇异的三维单元。
DISTORTED
检查每个单元是否角度畸形，内角大于120°或小于60°均被认为是畸形，本命令完成后所有畸形单元均被选择。
ZERO VOLUME
在建模过程中用手工完成某些局部修改时，可能会使某些单元的面积或体积变为零，这些单元在分析过程中必然导致Jacobi矩阵为零，此操作可将其筛选出来并删除。
ASPECT RATIO
检查单元的特性比（单元最长边与最短边之比），超过用户给定的容许值的单元会被自动筛选出来。
FLIP ELEMENTS、FLIP CURVES、FLIP SURFACE
依次为将单元表面法线方向颠倒、将曲线方向颠倒、将曲面法线方向颠倒。用户必须提供所颠倒的对象，再选择ALL：SELECT即可。（5）CONVERT：可进行几何—单元、几何—几何、单元—几何、单元—单元间的转换，是前处理过程中频繁使用的便利工具，包括简单的自动网格划分功能和在高阶的几何元素或单元上提取低阶元素的功能。（6）DUPLICATE：完成单元元素或几何实体的复制，复制所需的控制参数是在用户局部坐标系下定义。复制的方式有平移、旋转和缩放三种，可给出复制次数以实现连续复制。用户可以根据需要定义旋转复制与缩放复制的基准点坐标。复制不仅在建模阶段使用，在结果的后处理时同样有效。（7）EXPAND：将单元或几何实体由一维扩展为二维、二维扩展为三维。扩展包括平移、旋转和缩放3种，用户设置扩展的次数后便可完成对单元或几何元素的连续升级转换。使用旋转和缩放需给出基准点的坐标值。执行几何元素或单元元素由低维向高维的转换后，对低维实体有三种处理方式：REMOVE（删除原低维实体）、SHlFT（低维实体随扩展移动到最终位置）和SAVE（低维实体保持原来位置不变），默认为REMOVE方式。对于需要多次扩展并生成沿扩展方向产生不同扩展量的情况，选择移动低维元素模式的扩展最为简便。（8）INTERSECT：该命令计算几何元素的交点，如曲线与曲线的交点、曲线与曲面的交点、曲面与曲顶的交线等，另外，也可在生成相交线的同时对曲面进行裁剪。（9）MOVE：移动包括平移、旋转和缩放三种方式。除此以外，还可通过解析公式的输入来定量控制移动。例如，在移动节点时，可以输入公式给出节点坐标的函数表达式。输入x=0，y=y，z=z即表示强迫被移动的那些节点的x坐标为0，保持y和z坐标不变。这一工具对于手工修正局部单元几何信息尤为方便。（10）RELAX：利用松弛工具可对已经生成的平面或曲面上的网格节点重新定位，最大限度地减少单元形状的扭曲程度，提高网格质量。对于二维网格，可固定边界上的节点，调整内部的局部区域节点位置；对于三维单元，可固定表面节点，调整内部节点位置。操作时要保证这个区域的网格务必是一个整体，中间不能留存间隙或未重合的节点。利用MSC.Mentat自动网格生成器生成的单元已经经过松弛处理，无需再使用RELAX。对于手工局部修改后的网格，有时可利用RELAX提高网格质量。（11）RENUMBER：对单元编号、节点编号、几何元素的编号重新排列，以消除编号的排列间隙。用户可指定沿特定的方向进行单元或节点编号的排列。（12）REVOLVE：控制曲线经旋转后形成曲面，旋转必须绕局部坐标系的y轴进行，需要指定旋转的起始和终止角度及旋转曲线。（13）SOLIDS：该命令用于实体的生成，可以合并两个实体，也可以从第一个实体中挖去其他实体，还可以形成倒角。其子菜单提供了对几何实体进行网格划分前所需要的一些处理命令。（14）STRETCH：该命令使一条指定节点路径上的节点映射到由首末节点相连所确定的直线上。用户需要指明路径的首末节点，通过偏置系数控制节点布置的疏密过渡，被重排的节点路径上的节点数目要不少于3个。这一功能通常与ATTACH结合使用将重新定位的节点附着在所需的几何元素上。（15）SWEEP：清除重合的网格实体和几何元素，清除无用的节点和几何点。通过修改容差，用户使用此功能还可以方便地对某些距离较近的点进行合并操作。（16）SUBDIVIDE：该命令将指定的单元再细分。用户需给出各个维数方向的划分份数，可通过改变偏置系数调整单元的疏密过渡。由于网格重划分后会产生重复的节点，会影响单元的编号，应使用SWEEP和RENUMBER进行再次处理。
另外，SUBDIVIDE也可对某个局部的单元加密。该功能可以只修改与某个节点相连的单元边或单元面所在的网格疏密，并保持网格的连续性。用户需加密局部的节点号和该节点周围需细化的单元，利用这种局部网格加密的方法，可有效地在网格划分时人工控制网格的疏密程度。（17）SYMMETRY：该命令将节点、单元或几何实体相对某一镜像平面作对称复制。镜像平面的定义包括镜像平面上的一点及面的法向量。对于具有对称性的模型结果，利用该功能可生成全模型的结果显示。
4．列表件
定义的特性施加到相应的对象上，有时用列表键很方便，下面简要介绍列表键各项的意义。
ALL：EXIST 选择所有的施加对象。
ALL：SELECT 选择已选择的对象。
ALL：UNSEL 选择没有选择的对象。
ALL：VISIBLE 择在图形区显示的对象。
ALL：INVISI 选择在图形区没有显示出来的对象。
ALL：OUTLINE 选择模型轮廓上的所有节点。
ALL：SURFACE 选择模型表面上的所有面。2.1.2 Geometric Properties 模块
在Mentat主菜单中选取GEOMETRY PROPERTIES，可进入到单元几何特性参数的定义子菜单中，如图2-3所示。不同的单元有不同的几何特性，单元几何特性的定义包括几何特性是什么和将几何特性施加在哪些单元上。GEOMETRY PROPERTIES子菜单按分析类型及单元种类来排列区分几何特性种类。
在Mentat中，一个几何特性对应一个几何特性名称，几何特性名的定义方法与以后要介绍的材料特性名、初始条件名和边界条件名等的定义方法一致，图2-4所示为几何特性名的定义菜单。图2-3 单元几何特性参数子菜单
NEW 新建一个几何特性。
REM 删除当前的几何特性。
NAME 重新命名一个几何特性的名称。
COPY 把当前的几何特性复制一份并重命名。
PREV 显示前一个几何特性。
NEXT 显示下一个几何特性。
EDIT 通过下拉列表框来显示一个已经定义的几何特性。图2-4 几何特性名的定义菜单
下面介绍几何特性定义的种类：
MECHANICALELEMENTS 应力分析单元的几何特性定义。
3-D 三维单元几何特性定义。
AXISYMMERTRIC 轴对称单元几何特性定义。
PLANAR 平面单元几何特性定义。
GAP/FRICTION 间隙单元几何特性定义。
HEATTRANSFERELEMENTS 热传导分析单元的几何特性定义。
OTHERELEMENTS 其他分析单元的几何特性定义。
MAGNETOSTATIC 静磁场单元的几何特性定义。（1）3D单元的几何特性定义如图2-5所示。图2-5 3D单元的几何特性菜单
TRUSS 杆单元，定义单元截面积。
CABLE 缆索单元，定义单元截面积及初始长度和初始应力。
ELASTICBEAM 弹性梁单元，定义单元的截面积、在局部坐标系下的惯性矩和参考矢量。
GENERALBEAM 一般梁单元。对于圆管梁，定义管厚和半径及梁的局部坐标系的x轴。对于普通梁，定义横截面和局部坐标系的x轴。
ELBOW 弯管单元，定义管厚、半径、截面积、曲率半径和曲率中心等弯管单元的几何特性。
MEMBRANE 薄膜单元，定义单元法向板厚。
SHEARPANEL 减半单元，定义单元板厚。
SHELL 壳单元，定义单元的厚度。
SOLID 实体单元，定义常膨胀、假定应力等。
SOLIDCOMPOSITE/GASKET 定义实体复合材料单元/垫片单元的厚度方向和单元体积常膨胀参数。
SOLIDSHELL 实体壳单元，定义单元厚度等。
INTERFACE 界面单元，定义积分点位置等。
BEAMSECTION 定义任意截面的开口、闭口截面梁，其中定义梁截面的命令使用方法与网格剖分中的命令相似。（2）轴对称单元的几何特性定义如图2-6所示。
SHELL 轴对称壳单元，定义单元的厚度。
SOLID 轴对称实体单元，定义单元是否具有常膨胀和常温度特性。
SOLIDCOMPOSITE/GASKET 定义轴对称实体复合材料单元/垫片单元的厚度方向和单元体积常膨胀参数。
INTERFACE 界面单元，定义积分点位置等。图2-6 轴对称单元的几何特性菜单图2-7 平面单元的几何特性菜单（3）平面单元的几何特性定义如图2-7所示。
2-DSTRAIGHTBEAM 2D直梁单元，定义梁的高度和截面积。
2-DCURVEBEAM 2D曲梁单元，定义梁截面的高度和宽度。
PLANESTRESS 平面应力单元，定义单元厚度和假定应变、常温参数等。
PLANESTRAIN 平面应变单元，定义单元厚度、常体积应变、假定应变、常温度参数等。
PLANESTRAIN 定义平面应变复合材料单元/垫片单元的厚度方向、厚度、常体积应
COMPOSITE/GASKET 变等。
INTERFACE 界面单元，定义积分点位置等。（4）间隙单元的几何特性定义
GAP/FRICTION 间隙/摩擦单元，定义大量的参数。
其他几何特性的定义可参见相关的手册和参考书。2.1.3 Material Properties 模块
在该功能模块中可进行材料性质的定义，在主菜单中选取MATERIAL PROPERTIES后，即可进入材料性质定义和施加子菜单，如图2-8所示， 材料性质的定义包括输入材料特性参数的内容和对单元元素施加的步骤。
MSC.Mentat可以定义的材料种类很多，主要包括应力分析材料类型（MECHANICAL MATERIAL TYPES）和非应力分析材料类型（NON- MECHANICAL MATERIAL TYPES）两大类。
1．应力分析材料类型
图2-9所示为应力分析材料类型，单击MORE可以显示所有其他材料类型。图2-8 材料类型图2-9 应力分析类型材料
ISOTROPIC 定义各向同性材料参数。
ORTHOTROPIC 定义正交异性材料参数。
ANISOTROPIC 定义各向异性材料参数。
HYPOELASTIC 定义亚弹性材料参数。
选取MORE可见其余材料类型，即：
MOONEY 定义MooneyRivlin材料参数。
OGDEN 定义Ogden模型材料参数。
GOAM 定义Foam模型材料参数。
ARRUDA-BOYCE 定义Arruda-Boyce模型材料参数。
GENT 定义Gent模型材料参数。
SOIL 定义泥土材料参数。
POWDER 定义粉末冶金分析时的材料参数。
SHAPEMEMORYALLOY 定义记忆合金材料参数。
2．非应力分析材料类型
图2-10所示为部分非应力分析材料类型，单击MORE后可显示如图2-11所示的其他部分的材料类型。
HEATTRANSFER 定义热传导分析时的材料参数。选取该菜单后，可以定义各向同性、各向异性或正交异性材料参数。
JOULEHEATING 定义热—电耦合分析时的材料参数。选取该菜单后，可以定义各向同性、各向异性或正交异性材料参数。
ELECTROSTATIC 定义静电场分析时的材料参数。
PIEZO-ELECTRIC 定义压—电分析时的材料性质。
选取MORE可见其余材料类型，即：
ACOUSTIC 定义声场分析时的材料参数。
MAGNETOSTATIC 定义静磁场分析时的材料参数。选取该菜单，可以定义各向同性材料或正交异性材料参数。
ELECTROMAGNETIC 定义电磁场分析时的材料参数。选取该菜单，可以定义各向同性材料或正交异性材料参数。
FLUID 定义流体分析时的材料参数。选取该菜单后，出现具体材料参数的定义菜单，可以定义6种黏性流体模型的材料参数。
BEARING 定义轴承润滑分析时的材料参数。
DIFFUSION 定义扩散分析时的材料参数。图2-10 非应力分析材料类型图2-11 其他材料类型
其他与材料相关的材料定义，如图2-12所示。
LAYEREDMATERIALTYPES 定义分层材料，包括复合材料、BEBAR材料和垫片材料的定义。
选取该菜单显示如下菜单：
NEWCOMPOSITE 新建一个复合材料。选取NEW COMPOSITE菜单后，DEFINE菜单被激活，再单击DEFINE菜单，就可以具体定义复合材料的性质。每层材料的材料特性均需预先定义。
NEWBEBAR 新建一个BEBAR材料，选取DEFINE菜单具体定义BEBAR材料的性质。
NEWGASKET 新建一个垫片材料，选取DEFINE菜单具体定义该垫片材料的参数。图2-12 分层材料的定义菜单
3．材料参数的定义方法
Mentat可以定义的材料特性种类很多，下面以应力分析时的各向同性材料参数的定义为例说明具体的材料特性如何定义。
图2-13所示为在MATERIAL PROPERTIES菜单中选取ISOTROPIC后所弹出的子菜单，在该菜单中可以定义材料的杨氏模量、泊松比、质量密度、阻尼、屈服条件、热膨胀系数、速度效应、破坏准则等。
杨氏模量、泊松比必须定义，质量密度在动力分析和调谐分析以及与质量有关的载荷分析如重力、离心力等存在时也必须定义。图2-13 各向同性材料定义
如需定义阻尼（DAMPING）、屈服条件（PLASTICITY）、热膨胀系数（THERMAL EXP.）、速度效应（RATE EFFECTS）、破坏准则（DAMAGE EFFECTS）等，只需选取所需要的菜单，随后就会进入下一级子菜单，提供更丰富的输入信息，下面对各项进行说明。
YOUNG’SMODULUS 定义杨氏模量。
POISSIN’SRATIO 定义泊松比。
MASSDENSITY 定义质量密度。
DAMPING 定义阻尼参数，选取该菜单后，弹出一个对话框，可以输入质量矩阵乘子或刚度矩阵乘子。
ELASTIC-PLASTIC 定义弹塑性材料屈服条件、硬化准则菜单，选取该菜单后，可以具体定义屈服条件类型、硬化准则和初始屈服应力等。
RIGID-PLASTIC 定义刚塑性材料的屈服条件、硬化准则菜单。
THERMALEXP. 定义热膨胀系数。
CURESHRINKAGE 定义收缩系数。
RATEEFFECTS 定义速率效应，主要定义黏弹性、蠕变材料的特性参数。选取菜单VISCOELASTIC，定义黏弹性材料特性参数；选取菜单CREEP，定义蠕变材料特性参数。
DAMAGEEFFECTS 定义破坏效应。主要是开裂、损伤、破坏准则的定义。选取菜单CRACKING定义开裂材料的参数；选取菜单DAMAGE，定义材料的损伤特性参数，选取FAILURE定义破坏准则。
在材料的特性定义过程中，根据材料的不同，定义的参数也不同，但需要遵守一个原则，即所有定义的的参数的单位要统一。2.1.4 Modeling Tools 模块
在Mentat的主菜单中单击MODELING TOOLS，进入如图2-14所示的子菜单。图2-14 MODELING TOOLS菜单
FRACTUREMECHANICS 断裂力学定义，包括以下两个部分：
2-DCRACKS 定义二维裂纹面的计算；
3-DCRACKS 定义三维裂纹面的计算。
WELDING 在模拟焊接过程中定义所需的焊接参数，包括以下两个部分：
WELDPATHS 定义焊接路径；
WELDFILLERS 定义焊接填充物。2.1.5 Contact 模块
在Mentat主菜单中单击CONTACT，进入到接触条件子菜单，如图2-15所示。在进入子菜单时只有CONTACT BODIES（定义接触体）是激活的，其他3个命令菜单选项都处于非激活状态，只有定义了接触体，其他3个菜单才会被激活。图2-15 CONTACT菜单
下面介绍CONTACT菜单。
CONTACTBODIES 定义接触体。
CONTACTTABLES 定义接触表，具体定义接触体之间的关系，如果不选择此项，分析程序Marc将默认为任何物体均可能与其他物体相接触。
CONTACTAREAS 定义接触面积，具体定义变形体上可能发生接触的点或面。
EXCLUDESEGMENTS 定义在接触过程中需排除接触检查的边或面。
所有要接触的物体必须在CONTACT BODIES中定义，其他3个定义菜单是否使用需看具体分析问题的情况而决定。
1．CONTACT BODIES
图2-16所示为进入CONTACT BODIES后的子菜单。接触体按类型定义，主要包括以下几种接触体类型。图2-16 CONTACT BODIES子菜单（1）DEFORMABLE：定义接触体为变形体，用单元来描述变形体。选取DEFORMABLE后弹出如图2-17所示对话框，可以单击下拉菜单MECHANICAL PROPERTIES（默认值），弹出如下所示的4个选项。
MECHANICALPROPERTIES 定义应力分析接触体性质。
THERMALPROPERTIES 定义热传导分析接触体性质。
ELECTRICALPROPERTIES 定义电场分析接触体性质。
ACOUSTICPROPERTIES 定义声场分析接触体性质。图2-17 变形体的参数定义（2）RIGID：定义接触体为刚体。刚体由几何线和几何面描述。刚性接触体必须在定义完变形接触后才能定义。单击RIGID进入如图2-18所示的对话框，对话框中的各个需要具体定义的参数项根据接触的分析类型的不同而变化。RIGID与DEFORMABLE变形体的定义相似，由一个下拉菜单（MECHANICAL PROPERIES菜单）来选择需要定义哪种类型的接触分析参数，但是刚体的MECHANICAL PROPERIES菜单多了一个选项，即：
MASSDIFFUSIONPROPERTIES 定义扩散接触分析参数。图2-18 定义刚体的性质（3）SYMMETRY：定义接触体为对称刚体，对称刚体用几何线和几何面描述。单击SYMMETRY，弹出如图2-19所示对话框，定义对称刚体的特性。图2-19 对称刚体的性质（4）RIGID w HEAT TRANSFER：定义接触体为热传导的刚体，此类刚体有单元描述。图2-20所示为此类刚体的定义对话框，首先，选择接触分析的类型，然后根据所选类型定义参数，具体需要定义的参数包括摩擦系数、速度、位置、热传导系数、温度和对流膜系数等。图2-20 热传导刚体的性质（5）ZERO STIFFNESS：定义接触体为声—固耦合的刚体，此类刚体有单元描述。
2．CONTACT TABLES
CONTACTTABLES定义接触体之间的关系，即TOUCHING、GLUE、DEACTIVE3种，具体的定义方法可参考Marc手册。
3．CONTACT AREAS
CONTACTAREAS定义有可能产生接触的单元节点或面。2.1.6 Initial Conditions 模块
在主菜单中单击INITIAL CONDITIONS，进入初始条件的定义和施加子菜单，如图2-21所示，根据分析类型的不同将初始条件分成几种分析类型。
MECHANICAL 定义应力分析的初始条件。
THERMAL 定义热传导分析的初始条件。
JOULE 定义热—电耦合分析的初始条件。
FLUID 定义流体分析的初始条件。
DIFFUSION 定义扩散分析的初始条件。
STATEVARIABLES 定义状态变量初始值。
GENERAL 定义Pre-State初始状态。图2-21 初始条件类型图2-22 应力分析初始条件菜单
在应力初始条件菜单中，单击MECHANICAL，进入如图2-22所示的子菜单，就可以定义应力分析模型具体的初始条件。
DISPLACEMENT 定义初始位移。
VELOCITY 定义初始速度。
STRESS 定义初始应力。
PLASTIC 定义初始塑性应变。
RELATIVEDENSITY 定义初始相对密度。
POINTMASS 定义节点质量。
PRECONSOLIDATIONPRESSURE 定义预凝固压力。
POROSITY 定义初始孔隙率。
VOIDRATIO 定义初始空穴率。
对于热传导分析（THERMAL），初始条件只需定义初始温度，对于热—电耦合分析（JOULE）只需定义初始节点温度，对于流体分析（FLUID）只需定义节点初始速度，对于扩散分析（DIFFUSION）只需定义节点初始压力。对于不同的分析类型，可选择定义相应的状态变量初始值。2.1.7 Boundary Conditions 模块
在Mentat主菜单中单击BOUNDARY CONDITIONS，进入如图2-23所示的边界条件的定义和施加子菜单，边界条件主要包括约束和载荷。图2-23 边界条件菜单图2-24 定义MECHANICAL菜单
下面介绍边界条件定义的类型：
MECHANICAL 应力分析的边界条件定义。
THERMAL 热传导分析的边界条件定义。
JOULE 电—热耦合分析的边界条件定义。
ELECTROSTATIC 静电场分析的边界条件定义。
ACOUSTIC 声场分析的边界条件定义。
MAGNETOSTATIC 静磁场分析的边界条件定义。
ELECTROMAGNETIC 电磁场分析的边界条件定义。
FLUID 流体分析的边界条件定义。
BEARINIG 轴承润滑分析的边界条件定义。
DIFFUSION 扩散分析的边界条件定义。
STATEVARIABLES 状态变量定义。
GENERAL GLOBAL-LOCAL定义。
DRAWBOUNDARYCONDSONMESH 在单元上绘出边界条件。
IDBOUNDARYCONDS 用不同的颜色区分不同的边界条件。
ARROWPLOTSETTINGS 定义箭头的显示方式。
MERGEDUPLICATEBOUNDCONDS 合并重复的边界条件。
REMOVEALLBOUNDCONDS 删除所有的边界条件。
下面以定义添加应力分析边界条件为例进行说明，单击MACHANICAL，进入应力分析边界条件定义菜单，如图2-24所示。
FIXEDDISPLACEMENT 定义固定位移，包括x、y、z方向的位移和绕x、y、z轴的转角，施加在单元节点上。
FIXEDACCELERATION 定义固定加速度，施加在节点上。
POINTLOAD 定义集中载荷，施加在节点上。
EDGELOAD 定义边载荷，施加在单元上。
FACELOAD 定义面载荷，施加在单元面上。
GLOBALLOAD 定义整体坐标系下x、y、z方向下的单位体积力分布，施加在单元上。
GRAVITYLOAD 定义重力，需给出x、y、z方向的重力加速度，施加在单元上。
CENTRIFUGALLOAD 定义离心力，需定义旋转轴和角速度，施加在单元上。
EDGEFOUNDATION 定义边弹性基础的刚度，施加在单元边上。
FACEFOUNDATION 定义面弹性基础的刚度，施加在单元面上。
MORE 进入其他的菜单。
FLUIDDRAG 定义流体阻力和浮力。
CAVITYPRESSURELOAD 定义空腔压力。
CAVITYMASSLOAD 定义空腔质量。
CRAIG-BAMPTONNODES 定义Craig-Bampton节点位移，用于与ADAMS的联合仿真。
HARMONICBC’s 定义谐波（正弦）分析边界条件。
具体定义一种边界条件，只需单击相应类型的选项即可，如定义应力分析的固定位移，单击FIXED DISPLACE-MENT，进入如图2-25所示的下一级菜单。图2-25 定义固定位移对话框
ENTEREDVALUES 选择直接输入数值方式。
USERSUB.FORCDT 选择用用户子程序FORCDT方式输入。
REFERENCEPOSITION 边界条件激活方式。
DISPLACEMENTX/Y/Z 单击此命令可定义x、y、z方向的位移大小。
ROTATIONX/Y/Z 定义绕x、y、z轴的转角大小。
TABLE 定义表。在Mentat中表的作用非常重要。在实际分析中，载荷的变化、物理性质、几何性质的改变等都可以通过定义表曲线来描述。2.1.8 Mesh Adaptivity 模块
在Mentat用户界面主菜单中单击MESH ADAPTIVITY，进入网格自适应定义子菜单，定义自适应及相关参数类型，如图2-26所示。图2-26 网格自适应菜单图2-27 整体网格重划分菜单
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]