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《 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.edu.cn 课件下载： ftp://liuxiaohui:public@public.sjtu.edu.cn/CMS.FEM 作业上传： ftp:// liuxiaohui:public@public.sjtu.edu.cn/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

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

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Presentation Transcript

  1. 《计算材料学》有限元上机实验手册 刘晓晖 材料A楼509A liuxiaohui@sjtu.edu.cn 课件下载：ftp://liuxiaohui:public@public.sjtu.edu.cn/CMS.FEM 作业上传：ftp://liuxiaohui:public@public.sjtu.edu.cn/upload 2014年3月 上海交通大学材料科学与工程学院

  2. 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

  3. 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。

  4. 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 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 对话区 状态区

  5. MSC.MARC/MENTAT V2010 安装步骤 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 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！ 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。 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。 新建环境变量：MSC_LICENSE_FILE，值为1700@你的计算机名。 1 2

  6. MSC.MARC/MENTAT V2010 安装步骤 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。 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。

  7. 实验1 大锻件转子加热过程温度场模拟

  8. 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。

  9. 问题描述 ϕ 2m 2m ϕ1m 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。

  10. 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

  11. 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 1 2 5 3 3 4 7 6

  12. 网格划分 MESH GENERATION 细分单元 SUBDIVIDE DIVISIONS 40 5 1 ELEMENTS 1 DIVISIONS 20 5 1 ELEMENTS 2 RETURN

  13. 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

  14. 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

  15. 材料属性 MATERIAL PROPERTIES 赋予单元材料属性 ELEMENTS ADD EXIST ID MATERIALS on off

  16. 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

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. 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

  21. 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

  22. 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

  23. 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

  24. 结果 RESULTS 查看温度云图 CONTOUR BANDS on NEXT LAST REWIND MONITOR LAST

  25. 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

  26. 结果 RESULTS 查看指定路径的温度曲线 SHOW MODEL RETURN PATH PLOT NODE PATH 1 2 # ADD CURVES ADD VARIALBLE Arc Length Temperature FIT

  27. 实验2 带孔平板弹性变形模拟

  28. 问题描述 p a = 20 mm r = 1 mm p = -10 N/mm r a 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。

  29. 问题简化 p a = 20 mm r = 1 mm p = -10 N/mm a’ E = 2e5 MPa ν= 0.3 r

  30. 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

  31. 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)

  32. 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

  33. 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

  34. 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

  35. 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

  36. 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

  37. 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

  38. 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

  39. 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

  40. 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

  41. 实验3 大锻件转子加热过程温度场/应力场耦合模拟

  42. 问题描述 ϕ 2m 2m ϕ1m 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。

  43. 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

  44. 网格划分 MESH GENERATION 步骤同实验1

  45. 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

  46. 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

  47. 初始条件 INITIAL CONDITIONS 步骤同实验1

  48. 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

  49. 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

  50. 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

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