MSC.MARC在材料加工工程中的应用

塑性加工成形中的各种现象及其规律是十分复杂的，这使得塑性加工成形工艺和模具设计缺乏系统精确的理论分析手段，主要依据工程师长期积累的经验，设计质量难以得到保证。借助于有限元模拟方法，可以获得对于塑性加工成形过程规律的认识，用较小的代价、在较短的时间内找到最优的或可行的设计方案。有限元模拟对材料加工是强有力的设计、分析和优化的工具，可以分析预测成形期间零件形状的变化、坯料的变形规律、最终应变分布、温度场分布、全场应力与应变分布、组织性能变化规律、工艺参数对产品质量和尺寸精度的影响规律以及缺陷形成区域等，并可在零件生产前最大限度地优化工艺参数，加快生产周期、降低生产成本，所有这些对于成功地成形复杂形状的零件并减少成形时间是至关重要的。采用有限元技术，可以实现对塑性成形全过程的参数监控与预测，进行材料的流动变形规律与各种工艺缺陷的变化规律研究，作为工艺参数优化与选择的依据，对实验起到指导和预测的作用，为提高塑性加工生产工艺设计、模具设计、设备设计提供理论依据，使工艺设计和生产控制摆脱人工试错法，走向科学化和智能化。

塑性加工成形模拟技术经历了几十年的发展，国际上已经出现了一批塑性成形模拟软件。其中，大型有限元分析软件MSC.MARC是可以快速模拟各种冷热成形、挤压、轧制等塑性成形过程的工艺成形专用软件，它可以实现对具有高度组合的非线性体成形过程的全自动数值模拟，MSC.MARC为满足特殊用户的二次开发需求，提供了友好的用户开发环境，为塑性加工成形二次开发设计提供了开发平台。

本书通过各种典型材料加工案例，详细介绍MSC.MARC在材料加工工程中的应用及其相关的技术问题。全书以应用为主，理论为辅，一方面强调培养MSC.MARC有限元软件基本应用能力，另一方面又强调提高应用MSC.MARC有限元软件计算结果分析问题、解决问题的能力。

本书所有案例皆来自实际工程项目，不仅包括具体的建模过程，还包括具体的模拟结果分析与技术处理。全书共分13章，第1章由张士宏（中国科学院金属研究所）编写，介绍有限元技术在材料加工工程中的应用状况。第2章由岳峰丽（沈阳理工大学）编写，介绍有限元法的一些基本原理与关键技术。第3章由李毅波（中南大学博士生，MSC上海办事处工程师）编写，介绍MSC.MARC在材料加工过程中的常用技术。第4章由刘劲松（沈阳理工大学）、岳峰丽编写，介绍异型结构件增量弯曲成形有限元模拟和一些MSC.MARC软件的基本操作技能。第5章由肖寒（大连理工大学与中国科学院金属研究所联合培养博士研究生）、刘劲松编写，介绍整体壁板滚弯成形有限元模拟。第6章由王祺（沈阳理工大学与中国科学院金属研究所联合培养硕士研究生）、刘劲松、肖寒编写，介绍镁合金型材弯曲成形有限元模拟。第7章由李毅波编写，介绍金属轧制成形的有限元模拟。第8章由梁海城（沈阳理工大学，东北大学博士研究生）编写，介绍镁合金板材异步轧制数值模拟。第9章由李冰（大连交通大学）编写，介绍三辊行星轧制成形有限元模拟。第10章由陈仕清（大连理工大学与中国科学院金属研究所联合培养硕士研究生）、袁安营编写，介绍管材液压成形有限元分析实例。第11章由张海燕（中国科学院金属研究所博士研究生）编写，介绍高温合金开坯锻造过程中组织演变的有限元模拟。第12章由肖寒、潘进兵、刘劲松编写，介绍铜盘管退火过程温度场有限元模拟。第13章由林涛（中国科学院金属研究所博士研究生）编写，介绍管道对接焊有限元模拟。全书由刘劲松负责统稿，肖寒负责校对。读者通过本书的学习，可以掌握有限元法解决实际工程问题的关键技术，学会应用本专业知识分析问题、解决问题，将理论分析与工程实践紧密衔接在一起。本书附带所有案例的模型文件，读者可以在中国水利水电出版社网站及万水书苑（http://www.waterpub.com.cn/softdown/及http://www.wsbookshow.com）下载。

本书既适合作为材料加工工程专业的本科生与研究生教材，也可作为相关企事业工程技术人员应用参考书，还可作为MSC.MARC有限元分析软件的高级培训教材。

本书的编写得到了MSC公司的支持与鼓励，特别是北京MSC办事处的陈火红先生对本书的编写与出版给予了大力帮助，在此致以由衷的感谢！同时，还应感谢国家自然科学基金项目（50474059）的支持以及在本书编写过程中给予作者支持与关心的老师和同事们！

成书之际，正值中国科学院金属研究所塑性加工先进技术研究组建组十周年，这个小组在张士宏研究员的带领下日益壮大，在材料加工领域作了大量的研究工作，取得了很多科研成果，培养了多名博士、硕士。参加本书编写的人员基本上都是来自这个组，书中的大部分案例也都是这个组近些年来的研究项目与成果。在此谨将此书作为中国科学院金属研究所塑性加工先进技术研究组组庆十周年的一份献礼，祝张士宏老师和他的团队蒸蒸日上，不断进步。

由于编者水平有限，书中缺点、错误在所难免，敬请广大读者批评指正。

刘劲松

2010年1月于沈阳

前言

第1章 绪论 1
1.1 有限元法的特点与发展过程 1
1.2 有限元法在塑性加工领域的应用 1
1.3 有限元法的基本问题 2
1.4 有限元法的发展趋势 4
1.5 MSC.Marc有限元软件的特点 6
第2章 有限元法的基本理论 7
2.1 有限元法概述 7
2.1.1 有限元法的基本思想 7
2.1.2 有限元法分析计算的思路和做法 7
2.1.3 有限元分析的基本方法 8
2.1.4 学习有限元法所需的理论基础 11
2.2 塑性有限元法分类 11
2.2.1 弹塑性有限元法 11
2.2.2 刚塑性有限元法 13
2.3 非线性方程组的数值解法 15
第3章 MSC.MARC在材料加工过程中的一些常用技术 18
3.1 变形的描述 18
3.1.1 定义 18
3.1.2 Eulerian坐标和Lagrangian坐标 18
3.1.3 Eulerian网格和Lagrangian网格 19
3.1.4 Lagrangian网格畸变的处理方式 22
3.2 局部自适应网格细划分 22
3.2.1 自适应网格细划分准则 22
3.2.2 局部自适应网格细划分的数量 24
3.2.3 局部网格自适应实例分析 25
3.3 网格重划分 27
3.3.1 网格重划分器 27
3.3.2 网格重划分准则 28
3.3.3 网格重划分数量 28
3.3.4 网格重划分实例分析 28
3.4 预状态分析 31
3.4.1 预状态分析的基本功能 31
3.4.2 预状态分析应用实例 31
3.5 重启动分析 36
3.5.1 重启动分析的基本步骤 37
3.5.2 重启动分析实例 37
3.6 热－结构耦合分析 39
3.6.1 热－结构耦合分析的基本概念 39
3.6.2 热－结构耦合分析的基本过程 41
3.7 小结 42
第4章 异型结构件增量弯曲成形有限元模拟 43
4.1 引言 43
4.2 增量弯曲成形原理 43
4.3 异型结构件有限元模型的建立 44
4.3.1 几何模型 44
4.3.2 单元网格划分 45
4.3.3 定义材料特性 55
4.3.4 定义接触条件 57
4.3.5 定义边界条件 62
4.3.6 定义载荷工况 63
4.3.7 定义作业参数并提交运行 66
4.4 单筋条结构件变形模拟结果分析 70
4.4.1 单筋条结构件回弹分析 70
4.4.2 应变分布 75
4.5 单筋结构件失稳模拟结果分析 77
4.5.1 I形单筋结构件失稳分析 77
4.5.2 T形单筋结构件失稳分析 80
4.5.3 J形单筋结构件失稳分析 80
4.6 单筋结构件翘曲模拟结果分析 82
4.6.1 I形单筋结构件翘曲分析 82
4.6.2 T形单筋结构件翘曲分析 84
4.6.3 J形单筋结构件翘曲分析 86
4.7 有限元模拟对工程的指导作用 86
4.7.1 特征直线方程的建立 87
4.7.2 自适应增量成形工艺知识库总体结构 89
4.7.3 自适应增量成形工艺知识库参数获取方法 90
4.7.4 应用与验证 91
4.8 小结 91
第5章 整体壁板滚弯成形有限元模拟 93
5.1 引言 93
5.2 滚弯成形原理 93
5.3 滚弯成形有限元模型的建立 94
5.3.1 几何模型 94
5.3.2 单元网格划分 94
5.3.3 定义材料特性 105
5.3.4 定义接触条件 107
5.3.5 定义边界条件 111
5.3.6 定义载荷工况 114
5.3.7 定义作业参数并提交运行 115
5.4 整体壁板滚弯成形模拟结果分析 116
5.4.1 壁板应力分析 116
5.4.2 壁板应变分析 126
5.4.3 三辊作用力分析 133
5.4.4 回弹分析 134
5.5 小结 136
第6章 镁合金型材绕弯成形有限元模拟 137
6.1 引言 137
6.2 绕弯成形原理 137
6.3 材料性能曲线测定 139
6.3.1 材料性能测定 139
6.3.2 材料的物理属性 140
6.4 绕弯成形有限元模型的建立 142
6.4.1 几何模型 142
6.4.2 单元网格划分 146
6.4.3 初始条件 150
6.4.4 边界条件 151
6.4.5 模具加载条件 153
6.4.6 材料的物理属性 157
6.4.7 定义工况 163
6.4.8 定义作业参数 165
6.4.9 求解 167
6.5 镁合金型材绕弯成形模拟结果分析 167
6.5.1 回弹分析 167
6.5.2 温度对成形的影响 176
6.5.3 成形质量分析 179
6.5.4 创建动画 184
6.6 小结 186
第7章 金属轧制成形的有限元模拟 188
7.1 材料的变形抗力 188
7.1.1 冷轧变形抗力模型 188
7.1.2 热轧变形抗力模型 189
7.1.3 MARC中对变形抗力模型的处理方式 190
7.2 轧制力能参数的计算 191
7.2.1 轧制力的计算及影响因素 191
7.2.2 MARC计算轧制力的方式 193
7.3 板厚、板形、宽展的计算 194
7.3.1 板厚 194
7.3.2 板形 194
7.3.3 宽展 196
7.3.4 MARC计算板厚、板形的方法 198
7.4 轧制过程温度的计算 199
7.4.1 热轧过程的基本传热方程与边界条件 199
7.4.2 热轧过程热-结构耦合分析的边界条件 199
7.4.3 热轧过程热－结构耦合在MARC中的实现 200
7.5 轧制成形分析应用实例 200
7.5.1 案例说明 200
7.5.2 模型的简化 202
7.5.3 第一道次轧制仿真 202
7.5.4 第二道次轧制仿真 216
7.5.5 轧制过程的三维热－结构耦合分析 224
7.6 小结 234
第8章 镁合金板材异步轧制数值模拟 235
8.1 引言 235
8.2 板材异步轧制基本原理 235
8.3 板材异步轧制有限元模型的建立 236
8.3.1 几何模型建立 236
8.3.2 单元网格划分 236
8.3.3 材料特性定义 248
8.3.4 接触条件定义 251
8.3.5 初始条件定义 256
8.3.6 载荷工况定义 256
8.3.7 定义作业参数并提交运行 258
8.4 镁合金板材异步轧制模拟结果分析 260
8.4.1 板材异步轧制过程金属流动分析 261
8.4.2 板材异步轧制等效应变场分布 262
8.4.3 板材异步轧制等效应力场分布 263
8.4.4 板材异步轧制温度场分布 264
8.5 不同工艺参数对板材异步轧制过程的影响 264
8.5.1 不同轧辊转速比对异步轧制的影响 264
8.5.2 摩擦因素对板材异步轧制的影响 268
8.5.3 坯料温度对板材异步轧制的影响 273
8.5.4 轧辊温度对板材异步轧制的影响 276
8.5.5 压下率对板材异步轧制的影响 278
8.6 小结 283
第9章 三辊行星轧制成形有限元模拟 284
9.1 引言 284
9.2 三辊行星轧制成形基本原理 284
9.3 旋轧成形有限元模型的建立 285
9.3.1 建立轧辊芯棒小车坯料有限元模型 285
9.3.2 几何参数的定义 293
9.3.3 材料特性的定义 294
9.3.4 连接控制的定义 295
9.3.5 接触体和接触表的定义 296
9.3.6 初始条件的确定 305
9.3.7 边界条件的定义 305
9.3.8 工况的定义 307
9.3.9 定义作业参数并提交运行 309
9.4 旋轧成形变形规律模拟结果分析 311
9.4.1 坯料三角形效应分析 311
9.4.2 坯料受力特征分析 313
9.4.3 运动轨迹分析 314
9.4.4 接触特征规律 316
9.4.5 坯料纵向运动的变形段 317
9.5 旋轧成形温度场模拟结果分析 318
9.5.1 旋轧成形过程的温度场分布 318
9.5.2 坯料上一点的温度变化 319
9.5.3 坯料横切面温度场分布 320
9.5.4 坯料切面圆周温度变化 322
9.5.5 旋轧成形应变速率特点分析 323
9.6 小结 324
第10章 管材液压成形有限元分析实例 325
10.1 引言 325
10.2 管材液压成形原理 325
10.3 管材液压成形有限元模型的建立 326
10.3.1 几何模型 326
10.3.2 单元网格的划分 332
10.3.3 材料特性的定义 336
10.3.4 几何特性的定义 339
10.3.5 接触条件的定义 341
10.3.6 边界条件的定义 345
10.3.7 载荷工况的定义 346
10.3.8 定义作业参数并提交运行 347
10.4 管材液压成形模拟结果分析 351
10.4.1 壁厚分布 352
10.4.2 应变分布 354
10.5 小结 357
第11章 涡轮盘闭模锻造中组织演变的有限元模拟 358
11.1 概述 358
11.2 组织演变的有限元计算 358
11.2.1 组织演变模型 358
11.2.2 用户子程序二次开发 359
11.3 有限元模型的建立 364
11.3.1 几何模型 365
11.3.2 材料模型 377
11.3.3 接触条件 382
11.3.4 初始条件 386
11.3.5 网格重划分 386
11.3.6 定义工况 387
11.3.7 定义作业参数 389
11.3.8 提交作业 392
11.4 结果分析 392
11.4.1 温度场 393
11.4.2 等效应变场 394
11.4.3 流线场 395
11.4.4 组织场 396
11.5 小结 398
第12章 铜盘管退火过程温度场有限元模拟 399
12.1 引言 399
12.2 铜盘管退火工艺过程 399
12.2.1 铜盘管退火工艺概述 399
12.2.2 铜盘管退火过程的传热分析 400
12.2.3 铜盘管退火过程传热学理论 401
12.2.4 铜盘管退火过程关键参数分析 403
12.3 铜盘管退火温度场有限元模型的建立 404
12.3.1 几何模型 404
12.3.2 单元网格划分 405
12.3.3 材料特性定义 422
12.3.4 初始条件的定义 428
12.3.5 边界条件的定义 429
12.3.6 载荷工况的定义 444
12.3.7 定义作业参数并提交运行 445
12.4 铜盘管退火温度场模拟结果分析 446
12.4.1 铜盘管退火温度场云图 446
12.4.2 铜盘管热点与冷点温度演变历史 449
12.4.3 铜盘管径向和轴向温度分布 450
12.4.4 分析与讨论 453
12.5 小结 454
第13章 管道对接焊有限元模拟 455
13.1 引言 455
13.2 热－力耦合有限元法 455
13.2.1 热传导问题的控制方程 455
13.2.2 热传导问题的有限元描述 456
13.2.3 热应力问题的有限元描述 457
13.3 管道焊接模拟前处理 458
13.3.1 网格划分 459
13.3.2 定义几何属性 467
13.3.3 定义材料属性 467
13.3.4 设置焊接路径和填充焊料 469
13.3.5 添加边界条件和初始条件 472
13.3.6 定义工况 478
13.3.7 定义作业参数 480
13.4 后处理结果分析 482
13.4.1 焊接温度场分析 482
13.4.2 管道焊接残余应力 486
13.4.3 管道焊后变形分析 489
13.5 小结 490
参考文献 491

1. 信息技术基础实训与习题指导（Windows7+Office2016） [主编 周金容 唐天国]
2. ANSYS Workbench在压力容器分析中的应用与技术评论 [栾春远 编著]
3. 计算机应用基础教程（Windows 10+Office 2019） [主编 聂长浪 贺秋芳 李久仲]
4. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2016） [主编 王洪平 杨华]
5. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用（第二版） [李占营 张承承 李成良 编著]
6. 大学计算机基础教程（Windows 10+Office 2016） [主编 饶拱维 郭其标 房宜汕]
7. Altium Designer 20 电路设计案例教程 [主编 王静 谢蓉]
8. 计算机应用基础（Windows 10+Office 2016） [主编 阳晓霞 谭卫]
9. Python程序设计与应用 [主编 张广渊]
10. Office 2010办公自动化高级应用实例教程（第二版） [主编 谢海燕 吴红梅 陈永梅]
11. Office高级应用项目式教程 [主编 李观金 林龙健 王静]
12. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2010）（第二版） [主 编 李建军]
13. 计算机应用技能教程——全国计算机等级考试一级MS Office 2010 [主编 石铁峰 王祖伟 宋家慧]
14. 计算机应用基础教程（第三版）（Windows 7+Office 2010） [主编 聂长浪 贺秋芳 李久仲]
15. Office 2016办公自动化案例教程 [主编 林沣 钟明]
16. 办公软件高级应用 [主 编 阙清贤 黄诠]
17. 计算机应用基础教程（Windows 7+Office 2010） [主 编 潘 迪 代子静]
18. MSC Nastran动力分析指南（第二版） [李保国 黄晓铭 裴延军 李伟 ]
19. 计算机应用基础情景化教程（Windows 7+Office 2010）（第二版） [主编 王宏斌 张尼奇 王锋]
20. 计算机一级MS Office全真模拟手册（第二版） [主编 张建军 李瑛 王锋]
21. 计算机应用基础（Windows 7+Office 2010） [主编 张晓琪 唐天国]
22. 计算机应用基础实训与习题指导（Windows 7+Office 2010） [主编 唐天国 曾庆勇]
23. 机械工程材料 [主编 王海静 杨新莲 王婕]
24. Altium Designer 17电路设计案例教程 [主编 王静]
25. ANSYS AQWA软件入门与提高 [主编 高巍]
26. MSC Adams 多体动力学仿真基础与实例解析（第二版） [汤涤军 张跃 编著]
27. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例（第二版） [李占营 阚川 等编著]
28. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用 [李占营 阚川 张承承 编著]
29. 计算机导论（基于Windows 7+Office 2010）（第二版） [主编 柳青]
30. 全国计算机等级考试一级MS Office教程及实训指导 [主编 张心越 刘玉芳 邢怡]