《计算材料学》有限元上机实验手册刘晓晖材料 A 楼 509A liuxiaohui@sjtu

《计算材料学》有限元上机实验手册

刘晓晖

材料 A 楼 509A

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2014 年 3 月上海交通大学材料科学与工程学院

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• 有限元软件 MSC.MARC/MENTAT 简介

• MSC.MARC/MENTAT V2010 安装步骤

• 实验 1 大锻件转子加热过程温度场模拟

• 实验 2 带孔平板弹性变形模拟

• 实验 3 大锻件转子加热过程温度场 / 应力场耦合模拟

　　 MSC.MARC/MANTAT 是国际上最先进的通用非线性有限元分析软件之一，是 MSC 公司的旗舰产品。 MSC 公司于 1999 年收购了 MARC 公司，后者由美国布朗大学应用力学系教授、有限元分析的先驱 Pedro Marcal 创建。作为功能齐全的高级非线性有限元分析软件， MSC.MARC/MENTAT 体现了 40 年来有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合。　　 MSC.MARC 是有限元求解器， MSC.MENTAT 是有限元分析前后处理图形交互界面，两者之间可以无缝连接。

有限元软件 MSC.MARC/MENTAT 简介

图形区

DYN.MODEL (OFF)

左键：选择点中键：撤销最后选择的点右键：结束选择

DYN.MODEL (ON)

左键：平移视角中键：旋转视角右键：缩放视角

动态菜单区

左键：选择命令中键：在线帮助右键：返回上一级菜单

对话区

静态菜单区

UNDO ：撤销最近一次操作

DRAW ：更新视图

Fill ：视图充满图形区

RESET VIEW ：复位视角

状态区

1. 从 http://jcube.sjtu.edu.cn/f/8518/MSC.Marc.and.Marc.Mentat.V2010.rar下载 MSC. MSC.Marc and Marc.Mentat V2010 软件安装包

2. 用虚拟光驱软件（如 DAEMON Tools ）打开 m-marc10.iso 文件，在虚拟光驱中双击 setup 文件，选择 Marc 安装，注意安装路径不能有空格和中文！

3. 在安装路径（一般为 MSC.Software ）下新建 MSC.Licensing\11.6

文件夹，将安装包 MAGNITUDE 文件夹中的 MSC_Calc 拷贝至 MSC.Licensing\11.6 文件夹中，并双击运行生成 license.dat 文件。

4. 在步骤 2 中双击 setup 弹出的界面上继续选择 Licensing 安装，安装中选取步骤 3 生成的 license.dat 文件。

5. 新建环境变量： MSC_LICENSE_FILE ，值为 1700@ 你的计算机名。

MSC.MARC/MENTAT V2010 安装步骤

12

http://jcube.sjtu.edu.cn/f/8518/MSC.Marc.and.Marc.Mentat.V2010.rar



6. 运行 MSC.Licensing\11.6 文件夹中的 lmtools 文件（ Win7 系统要以管理员身份运行），点击 Config Services 选项卡，配置 License 。勾选 Start Server at Power up 和 Use Services 复选框，点击 Save

Service 按钮保存。7. 切换至 Start/Stop/Reread 选项卡，点击 Stop Server ，再点击 Start

Server ，若提示框中出现“ Server Start Successful” 即表示 license

配置成功。

MSC.MARC/MENTAT V2010 安装步骤

实验 1 大锻件转子加热过程温度场模拟

背景知识

汽轮机大锻件转子是火电 / 核电装备的关键部件，具有尺寸大、重量大和制造成本高等特点。热处理是制造大锻件转子必不可少的环节，对于保证其力学能性能至关重要。采用计算机模拟技术对其热处理过程进行模拟，有助于制定优化的热处理工艺，提高热处理质量，并显著降低制造成本。

ϕ 1m

ϕ 2m

2m

2m

问题描述

某汽轮机大锻件转子的形状和尺寸如上图所示。现将其置于温度为 900 ℃ 的炉中加热进行奥氏体化，其中奥氏体化温度为 840℃。炉与转子的表面换热系数为 100 W/m2K ，转子的初始温度为 20℃，密度为 7800 kg/m3 ，热导率为 30 W/mK ，比热为 400 J/kgK 。试用有限元方法模拟其加热过程，以确定最短加热时间保证转子能够完全奥氏体化。

有限元分析步骤•网格划分 MESH GENERATION

•材料属性 MATERIAL PROPERTIES

•初始条件 INITIAL CONDITIONS

•边界条件 BOUNDARY CONDITIONS

•载荷工况 LOADCASES

•任务 JOBS

•结果 RESULTS

添加节点，生成 4 节点四边形单元

NODES ADD node (0, 0, 0) node (4, 0, 0) node (0, 0.5, 0) node (2, 0.5, 0) node (4, 0.5, 0) node (0, 1, 0) node (2, 1, 0)ELEMENT CLASS QUAD (4)ELEM ADD 1 2 5 3 3 4 7 6

网格划分 MESH GENERATION

细分单元

SUBDIVIDE DIVISIONS 40 5 1 ELEMENTS 1 DIVISIONS 20 5 1 ELEMENTS 2 RETURN


清除重复节点 /单元，检查单元法线方向，重新编号

SWEEP ALLCHECK UPSIDE DOWN (2-D)RENUMBER ALL


选取热分析类型，设置材料属性（热导率、比热、密度）

MATERIAL PROPERTIES ANALYSIS CLASS THERMAL NEW STANDARD THERMAL K 30 SPECIFIC HEAT 400 MASS DENSITY THERMAL VALUE 7800 OK

材料属性 MATERIAL PROPERTIES

赋予单元材料属性

ELEMENTS ADD EXISTID MATERIALS on off


设置初始温度，对所有节点施加初始条件

THERMAL TEMPERATURE TEMPERATURE 20 OK NODES ADD EXIST

初始条件 INITIAL CONDITIONS

新建对流换热边界条件，设置环境温度和对流换热系数，对所有外边界施加边界条件

NEWTHERMAL EDGE FILM FILM ON AMBIENT TEMPERATURE 900 FILM COEFFICIENT 100 OK EDGES ADD 框选外边界

边界条件 BOUNDARY CONDITIONS

选取热分析类型，新建设置瞬态热传导工况，选取载荷（边界条件）

ANALYSIS CLASS THERMAL NEW TRANSIENT PROPERTIES LOADS apply1 on OK

载荷工况 LOADCASES

设置最大增量步数，最大迭代次数，收敛准则，工况分析时间

SOLUTION CONTROL MAX # INCREMENTS IN JOB 1e6 MAX # RECYCLES 20 OKCONVERGENCE TESTING MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE 0.5 MAX TEMPERATURE CHANGE BEFORE REASSEMBLY 0.5 OKTOTAL LOADCASE TIME 1e6


设置基于温度控制的自适应时间步长调整策略，最大增量步数，初始时间步长，任务结束条件，增量步允许的最大温差改变

STEPPING PROCEDURE ADAPTIVE TEMPERATURE MAX # INCREMENTS 1e6 INITIAL TIME STEP 0.01 FINISH WHEN EXCEED on FINISH TEMPERATURE 840 MAX TEMPERATURE CHANGE ALLOWED 2 OK


新建热分析任务，选取载荷工况，选取初始条件和边界条件，开启集中热容矩阵分析选项

NEW THERMALPROPERTIES AVAILABLE lcase1 INITIAL LOADS BOUNDARY CONDITIONS apply1 on INITIAL CONDITIONS icond1 on OK ANALYSIS OPTIONS LUMPED CAPACITY on

任务 JOBS

设置分析维度，设置单元类型（轴对称 4 节点四边形全积分单元），对所有单元施加此单元类型，查看单元类型和种类，最终检查，保存文件

ANALYSIS DIMENTION AXISYMMETRIC OKELMENTS TYPES ANALYSIS DIMENTION AXISYMMETRIC SOLID 40 OK EXIST ID TYPES on/off ID CLASSES on/offCHECKSAVE

任务 JOBS

提交任务，监视任务进程，打开结果文件

RUN SUBMIT MONITOR … …Be patient to wait until the STATUSbecomes “Complete”. … …

OPEN POST FILES

任务 JOBS

查看温度云图

CONTOUR BANDS onNEXTLASTREWINDMONITORLAST

结果 RESULTS

查看指定节点温度 -时间曲线，拷贝数据至粘贴板

HISTORY PLOT SET LOCATIONS 112 351 # ALL INCS ADD CURVES ALL LOCATIONS GLOBAL VARIABLES Time VARIABLES AT LOCATIONS Temperature FIT RETURN SHOW IDS 0 CLIPBOARD COPY TO

结果 RESULTS

查看指定路径的温度曲线

SHOW MODEL RETURNPATH PLOT NODE PATH 1 2 # ADD CURVES ADD VARIALBLE Arc Length Temperature FIT

结果 RESULTS

实验 2 带孔平板弹性变形模拟

问题描述

一个带圆孔平板如图所示。平板为方形，边长 a = 20 mm ，内孔半径 r = 1 mm 。上下两侧受均布压力 p = 10 N/mm 。平板材料性能参数包括：弹性模量 200 GPa ，泊松比 0.3 。试分析平板内部变形情况及应力场。

p

r

aa = 20 mm

r = 1 mm

p = -10 N/mm

E = 200 GPa

ν = 0.3

问题简化

a’

r

p

a = 20 mm

r = 1 mm

p = -10 N/mm

E = 2e5 MPa

ν = 0.3




•任务 JOBS

•结果 RESULTS

添加一条多折线和圆弧

PTS ADD point (10, 0, 0) point (10, 10, 0) point (0, 10, 0) FILLCURVE TYPE POLYLINECRVS ADD point (10, 0, 0) point (10, 10, 0) point (0, 10, 0)CURVE TYPE ARCS: CENTER/POINT/ANGLECRVS ADD center point (0, 0, 0) starting point (1, 1, 0) arc angle (90)



基于多折线和圆弧生成直纹面，将直纹面转换成单元，关闭显示曲线和面

SURFACE TYPE RULEDSRFS ADD 1 (arc) 2 (poly line)CONVERT DIVISONS 20 20 BIAS FACTORS 0 -0.4 SURFACES TO ELEMENTS 1 (ruled surface)PLOT CURVES (off) SURFACES (off)DRAW


清除重复节点、不使用的节点和点，检查单元法线方向，并翻转具有错误法线方向的单元，重新进行编号

SWEEP ALL REMOVED UNUSED NODES POINTSCHECK UPSIDE DOWN (2-D) FLIP ELEMENTS SELEC.RENUMBER ALL

选取力学分析类型，设置材料属性（杨氏模量、泊松比），赋予所有单元材料属性

MATERIAL PROPERTIES ANALYSIS CLASS STRUCTURAL NEW STANDARD STRUCTURAL YOUNG’S MODULUS 2e5 POISSON’S RATIO 0.3 OK ELEMENTS ADD EXIST


设置分布压力载荷、固定 X位移、固定 Y位移，赋予相应的边界 / 节点

STRUCTURAL EDGE LOAD PRESSURE 10 OK EDGES ADD 框选上边界 NEW FIXED DISPLACEMENT DISPLACEMENT X 0 OK NODES ADD 框选左边界 NEW FIXED DISPLACEMENT


DISPLACEMENT Y 0 OK NODES ADD 框选下边界ID BOUNDARY CONDS on off

新建力学分析任务，选取边界条件，添加结果变量，设置分析维度

NEW STRUCTURALPROPERTIES INITIAL LOADS BOUNDARY CONDITIONS apply1, apply2, apply3 on OK JOB RESULTS AVAILABLE ELEMENT TENSORS STRESS, TOTAL STRAIN AVAILABLE ELEMENT SCALARS MEAN NOMARL STRESS OK ANALYSIS DIMENTION PLANE STRESS

任务 JOBS

设置单元类型（平面应力 4 节点四边形全积分单元），对所有单元施加此单元类型，查看单元类型和种类，最终检查，重新编号，保存文件

ELMENTS TYPES ANALYSIS DIMENTION PLANAR SOLID 3 OK EXIST ID TYPES on/off ID CLASSES on/offCHECKRENUMBER ALLSAVE

任务 JOBS


RUN SUBMIT MONITOR … …Be patient to wait until the STATUSbecomes “Complete”.

OPEN POST FILES

任务 JOBS

查看变形结果、主应力分量云图

CONTOUR BANDS onDEFORMED SHAPE SETTINGS AUTOMATIC DEF & ORIGSCALAR Principal Stress Min Principal Stress Max Principal Stress MajorPlot Nodes offDRAW

结果 RESULTS

查看指定路径的主应力曲线

Plot Nodes onDRAWPATH PLOT NODE PATH 1 21 441 432 421 1 # ADD CURVES ADD VARIALBLE Arc Length Principal Stress Major FIT RETURN SHOW IDS 0 CLIPBOARD COPY TO

结果 RESULTS

实验 3 大锻件转子加热过程温度场 / 应力场耦合模拟

ϕ 1m

ϕ 2m

2m

2m

问题描述

某汽轮机大锻件转子的形状和尺寸见上图，现将其置于温度为 900 ℃的炉中加热进行奥氏体化，其中奥氏体化温度为 840℃。炉与转子的表面换热系数为 100 W/m2K ，转子初始温度为 20℃，密度为 7800 kg/m3 ，热导率为 30 W/mK ，比热为 400 J/kgK ，弹性模量为 200 GPa ，泊松比为 0.3 ，热膨胀系数为 1e-5 。试用有限元方法模拟其加热过程的温度场及应力场变化。



•初始条件 INITIAL CONDITIONS


•载荷工况 LOADCASES

•任务 JOBS

•结果 RESULTS

步骤同实验 1


选取热力耦合分析类型，设置材料力学属性（弹性模量、泊松比、热膨胀系数）

MATERIAL PROPERTIES ANALYSIS CLASS THERMAL/STRUCTURAL NEW STANDARD STRUCTURAL YOUNG’S MODULUS 2e11 POISSON’S RATIO 0.3 THERMAL EXPANSION THERMAL EXPANSION ALPHA 1e-5 OK

OK


设置材料热物属性（热导率、比热、密度），赋予所有单元材料属性

THERMAL K 30 SPECIFIC HEAT 400 MASS DENSITY THERMAL VALUE 7800OKELEMENTS ADD EXIST


步骤同实验 1

初始条件 INITIAL CONDITIONS

新建对流换热边界条件，设置环境温度和对流换热系数，对所有外边界施加边界条件

NEWTHERMAL EDGE FILM FILM ON AMBIENT TEMPERATURE 900 FILM COEFFICIENT 100 OK EDGES ADD 框选外边界


新建弹性地基边界条件，设置弹性刚度系数，对左边界施加边界条件

RETURNNEWSTRUCTURAL EDGE FOUNDATION STIFFNESS 1e8 OK EDGES ADD 框选左边界


选取热力耦合分析类型，新建瞬态热分析 / 力稳态分析工况，选取载荷（边界条件），设置求解控制参数（最大增量步数，最大迭代次数）

ANALYSIS CLASS THERMAL/STRUCTURAL NEW TRANSIENT/STATIC PROPERTIES LOADS apply1, apply2 on OK SOLUTION CONTROL MAX # INCREMENTS IN JOB 1e6 MAX # RECYCLES 100 OK


设置力分析 / 热分析收敛准则，设置工况分析时间

STRUCTURALCONVERGENCE TESTING RELATIVE FORCE TOLERANCE 0.05 OKTHERMALCONVERGENCE TESTING MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE 0.5 MAX TEMPERATURE CHANGE BEFORE REASSEMBLY 0.5 OKTOTAL LOADCASE TIME 1e6


设置基于温度控制的自适应时间步长调整策略，最大增量步数，初始时间步长，任务结束条件，增量步允许的最大温差改变

STEPPING PROCEDURE ADAPTIVE TEMPERATURE MAX # INCREMENTS 1e6 INITIAL TIME STEP 0.01 FINISH WHEN EXCEED on FINISH TEMPERATURE 840 MAX TEMPERATURE CHANGE ALLOWED 2 OK


新建热力耦合分析任务，选取载荷工况，选取初始条件和边界条件

NEW THERMAL/STRUCTURALPROPERTIES AVAILABLE lcase1 INITIAL LOADS BOUNDARY CONDITIONS apply1, apply2 on INITIAL CONDITIONS icond1 on OK

任务 JOBS

开启集中热容矩阵分析选项，添加结果变量，设置分析维度

ANALYSIS OPTIONS LUMPED MASS & CAPACITY onJOB RESULTS AVAILABLE ELEMENT TENSORS STRESS, TOTAL STRAIN, THERMAL STRAIN AVAILABLE ELEMENT SCALARS MEAN NOMARL STRESS OKANALYSIS DIMENTION AXISYMMETRICOK

任务 JOBS

设置单元类型（热力耦合轴对称 4 节点四边形全积分单元），对所有单元施加此单元类型，查看单元类型和种类，最终检查，保存文件

ELMENTS TYPES ANALYSIS DIMENTION AXISYMMETRIC FINITE STIFFNESS SOLID 40 OK EXIST ID TYPES on/off ID CLASSES on/offCHECKSAVE

任务 JOBS


RUN SUBMIT MONITOR … …Be patient to wait until the STATUSbecomes “Complete”. … …

OPEN POST FILES

任务 JOBS

查看温度云图

CONTOUR BANDS onSCALAR TemperatureNEXTLASTREWINDMONITORLAST

结果 RESULTS

查看变形结果、主应力分量云图、热应变云图

Plot Nodes offDRAWDEFORMED SHAPE SETTINGS AUTOMATIC DEF & ORIGSCALAR Principal Stress Min Principal Stress Max Principal Stress Major Principal Thermal Strain Major

结果 RESULTS

查看指定节点温度 -时间曲线

HISTORY PLOT SET LOCATIONS 116 126 # INC RANGE 0 100000 10 ADD CURVES ALL LOCATIONS GLOBAL VARIABLES Time VARIABLES AT LOCATIONS Temperature FIT RETURN SHOW IDS 0

结果 RESULTS

查看指定节点主应力分量

CLEAR CURVESADD CURVES ALL LOCATIONS GLOBAL VARIABLES Time VARIABLES AT LOCATIONS Principal Stress Major FIT RETURNSHOW IDS 0

结果 RESULTS

查看指定路径的主应力分量曲线

SHOW MODEL RETURNPATH PLOT NODE PATH 116 126 # ADD CURVES ADD VARIALBLE Arc Length Principal Stress Major FIT

结果 RESULTS

Documents

《 计算材料学 》 有限元上机实验手册 刘晓晖 材料 A 楼 509A liuxiaohui@sjtu

《计算材料学》有限元上机实验手册刘晓晖材料 A 楼 509A liuxiaohui@sjtu