Transcript ppt - 上海交通大学

《计算材料学》有限元上机实验手册
刘晓晖
材料A楼509A
[email protected]
课件下载：ftp://liuxiaohui:[email protected]/CMS.FEM
作业上传：ftp://liuxiaohui:[email protected]/upload
2014年3月
上海交通大学材料科学与工程学院
• 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
有限元软件 MSC.MARC/MENTAT 简介
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。
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
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
对话区
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
状态区
MSC.MARC/MENTAT V2010 安装步骤
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
1
文
2
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
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。
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。
问题描述
ϕ 2m
2m
ϕ 1m
2m
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/m2K，转子的初始温度为 20℃，密度为
7800 kg/m3，热导率为 30 W/mK，比热为 400 J/kgK。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
网格划分 MESH GENERATION
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
1253
3476
网格划分 MESH GENERATION
细分单元
SUBDIVIDE
DIVISIONS
40 5 1
ELEMENTS
1
DIVISIONS
20 5 1
ELEMENTS
2
RETURN
网格划分 MESH GENERATION
清除重复节点/单元，检查单元法线方向，重新编号
SWEEP
ALL
CHECK
UPSIDE DOWN (2-D)
RENUMBER
ALL
材料属性 MATERIAL PROPERTIES
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
EXIST
ID MATERIALS
on
off
初始条件 INITIAL CONDITIONS
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
边界条件 BOUNDARY 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
NEW
THERMAL
EDGE FILM
FILM
ON
AMBIENT TEMPERATURE
900
FILM COEFFICIENT
100
OK
EDGES ADD
框选外边界
载荷工况 LOADCASES
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
OK
CONVERGENCE TESTING
MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE
0.5
MAX TEMPERATURE CHANGE BEFORE REASSEMBLY
0.5
OK
TOTAL LOADCASE TIME
1e6
载荷工况 LOADCASES
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
任务 JOBS
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
THERMAL
PROPERTIES
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
OK
ELMENTS TYPES
ANALYSIS DIMENTION
AXISYMMETRIC
SOLID
40
OK
EXIST
ID TYPES
on/off
ID CLASSES
on/off
CHECK
SAVE
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 STATUS
becomes “Complete”.
……
OPEN POST FILES
结果 RESULTS
查看温度云图
CONTOUR BANDS
on
NEXT
LAST
REWIND
MONITOR
LAST
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
RETURN
PATH PLOT
NODE PATH
12#
ADD CURVES
ADD VARIALBLE
Arc Length
Temperature
FIT
实验2 带孔平板弹性变形模拟
问题描述
p
a = 20 mm
a
r = 1 mm
p = -10 N/mm
E = 200 GPa
ν
= 0.3
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。
问题简化
p
a = 20 mm
a’
r = 1 mm
p = -10 N/mm
E = 2e5 MPa
ν
= 0.3
有限元分析步骤
•网格划分 MESH GENERATION
•材料属性 MATERIAL PROPERTIES
•边界条件 BOUNDARY CONDITIONS
•任务
JOBS
•结果
RESULTS
网格划分 MESH GENERATION
添加一条多折线和圆弧
PTS ADD
point (10, 0, 0)
point (10, 10, 0)
point (0, 10, 0)
FILL
CURVE TYPE
POLYLINE
CRVS ADD
point (10, 0, 0)
point (10, 10, 0)
point (0, 10, 0)
CURVE TYPE
ARCS: CENTER/POINT/ANGLE
CRVS ADD
center point (0, 0, 0)
starting point (1, 1, 0)
arc angle (90)
网格划分 MESH GENERATION
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
RULED
SRFS 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
网格划分 MESH GENERATION
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
POINTS
CHECK
UPSIDE DOWN (2-D)
FLIP ELEMENTS
SELEC.
RENUMBER
ALL
材料属性 MATERIAL PROPERTIES
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
边界条件 BOUNDARY CONDITIONS
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
任务 JOBS
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
STRUCTURAL
PROPERTIES
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/off
CHECK
RENUMBER ALL
SAVE
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 STATUS
becomes “Complete”.
OPEN POST FILES
结果 RESULTS
查看变形结果、主应力分量云图
CONTOUR BANDS
on
DEFORMED SHAPE
SETTINGS
AUTOMATIC
DEF & ORIG
SCALAR
Principal Stress Min
Principal Stress Max
Principal Stress Major
Plot
Nodes
off
DRAW
结果 RESULTS
查看指定路径的主应力曲线
Plot
Nodes
on
DRAW
PATH 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
实验3 大锻件转子加热过程
温度场/应力场耦合模拟
问题描述
ϕ 2m
2m
ϕ 1m
2m
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/m2K，转子初始温度为 20℃，密度为 7800 kg/m3，
热导率为 30 W/mK，比热为 400 J/kgK，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。
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
网格划分 MESH GENERATION
步骤同实验1
材料属性 MATERIAL PROPERTIES
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
材料属性 MATERIAL PROPERTIES
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
7800
OK
ELEMENTS ADD
EXIST
初始条件 INITIAL CONDITIONS
步骤同实验1
边界条件 BOUNDARY 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
NEW
THERMAL
EDGE FILM
FILM
ON
AMBIENT TEMPERATURE
900
FILM COEFFICIENT
100
OK
EDGES ADD
框选外边界
边界条件 BOUNDARY CONDITIONS
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
RETURN
NEW
STRUCTURAL
EDGE FOUNDATION
STIFFNESS
1e8
OK
EDGES ADD
框选左边界
载荷工况 LOADCASES
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
载荷工况 LOADCASES
设置力分析/热分析收敛准则，设置工况分析时间
STRUCTURAL
CONVERGENCE TESTING
RELATIVE FORCE TOLERANCE
0.05
OK
THERMAL
CONVERGENCE TESTING
MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE
0.5
MAX TEMPERATURE CHANGE BEFORE REASSEMBLY
0.5
OK
TOTAL LOADCASE TIME
1e6
载荷工况 LOADCASES
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
任务 JOBS
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/STRUCTURAL
PROPERTIES
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
on
JOB RESULTS
AVAILABLE ELEMENT TENSORS
STRESS, TOTAL STRAIN,
THERMAL STRAIN
AVAILABLE ELEMENT SCALARS
MEAN NOMARL STRESS
OK
ANALYSIS DIMENTION
AXISYMMETRIC
OK
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/off
CHECK
SAVE
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 STATUS
becomes “Complete”.
……
OPEN POST FILES
结果 RESULTS
查看温度云图
CONTOUR BANDS
on
SCALAR
Temperature
NEXT
LAST
REWIND
MONITOR
LAST
结果 RESULTS
查看变形结果、主应力分量云图、热应变云图
Plot
Nodes
off
DRAW
DEFORMED SHAPE
SETTINGS
AUTOMATIC
DEF & ORIG
SCALAR
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 CURVES
ADD CURVES
ALL LOCATIONS
GLOBAL VARIABLES
Time
VARIABLES AT LOCATIONS
Principal Stress Major
FIT
RETURN
SHOW IDS
0
结果 RESULTS
查看指定路径的主应力分量曲线
SHOW MODEL
RETURN
PATH PLOT
NODE PATH
116 126 #
ADD CURVES
ADD VARIALBLE
Arc Length
Principal Stress Major
FIT