MARC培训手册

MARC培 训 手 册美国曼科分析研究公司北京代表处目 录1 MARC程序介绍11 MARC程序结构特点12 MARC安装后的有关目录13 MARC程序手册的组成14 MARC的文件系统15 MARC软件运行16 运行MARC所需的Job文件的数据构成2 弹塑性分析2.1理论概要2.2选项的使用方法2.3应力分析的控制2.3.1 增量步迭代算法2.3.2 迭代求解控制（CONTROL选项）3 热传导分析3.1理论概要3.2自动步长控制3.3选项的使用方法4 热应力分析4.1理论概要4.2自动步长控制4.3选项的使用方法5 实例分析5.1弹塑性分析5.2热传导分析热传导分析的输入数据与结果5.3热应力分析热应力分析的输入数据与结果附录有限单元法的基本步骤单元的使用方法及数值积分 求解器 内存分配和空间需求重起动与后处理 用TYING实现节点自由度间的线性约束 Singularity Ratio（奇异比）1.MARC程序介绍MARC Analysis Research Corporation（简称MARC）始创于1967年，总部设在美国加州的Palo Alto，是全球第一家非线性有限元软件公司。创始人是美国著名布朗大学应用力学系教授，有限元分析的先驱Pedro Marcel。MARC 公司在创立之初便独具慧眼，瞄准非线性分析这一未来分析发展的必然，致力于非线性有限元技术的研究、非线性有限元软件的开发、销售和售后服务。对于学术研究机构，MARC公司的一贯宗旨是提供高水准的CAE分析软件及其超强灵活的二次开发环境，支持大学和研究机构完成前沿课题研究。对于广阔的工业领域，MARC软件提供先进的虚拟产品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。经过三十余年的不懈努力，MARC 软件得到学术界和工业界的大力推崇和广泛应用，建立了它在全球非线性有限元软件行业的领导者地位。MARC公司的主要产品之一是通用的有限元分析软件MARC/MENTA。包括前后处理界面MENTAT和求解器MARC。可从下图了解MARC与MNETAT之间的数据传输关系：MARC与MENTAT之间可分可合。MENTAT可以自动生成MARC分析计算所需的模型数据文件（.dat）。MARC分析后所生成的结果文件即为后处理文件（.t19或.t16），可由MENTAT读入后进行数据结果的图形显示。本培训资料主要是从求解器分析的角度，介绍MARC的基本使用方法。11 MARC程序结构特点MARC是基于位移法的有限元程序，在非线性方面具有强大的功能。程序按模块化编程，工作空间可根据计算机内存大小自动进行调整。用户如果对精度要求较高，可选用双精度进行运算。当单元数、节点数太多，内存不能满足需要时，程序能够自动利用硬盘空间进行分析。在分析过程中，利用网格自适应和重划分技术，能够变更单元的划分和节点数目。MARC对于非线性问题采用增量解法，在各增量步内对非线性代数方程组进行迭代以满足收敛判定条件。根据具体分析的问题可采用不同的分析方法，如对于弹塑性分析和大位移分析可采用切线刚度法，对于蠕变分析或热应力分析可采用初应变法。单元刚度矩阵采用数值积分法生成。连续体单元及梁、板、壳单元的面内区域采用高斯积分法，而梁、板、壳单元厚度方向则采用任意奇数个点的Simpson积分法。应变位移函数根据高斯点来评价。程序计算、存贮单元所有积分点或单元中心点的应力、应变、温度等。总刚矩阵，总质量矩阵等采用轮廓或稀疏存贮法存贮。输入数据可借助于Mentat界面生成，由用户填卡也可生成。输入数据文件由四部分组成，其中分析功能的指示由参数选项组确定，分析模型的内容由模型定义选项组确定，增量步数据由历程定义选项组确定，图形输出由绘图定义选项组确定。MARC程序拥有许多对用户开放的子程序即用户子程序，用户可以根据各自需要用FORTRAN语言编制用户子程序，实现对输入数据的修改、材料本构关系的定义、载荷条件、边界条件、约束条件的变更，甚至扩展MARC程序的功能。MARC程序拥有以下4个库l 单元库l 功能库l 分析库l 材料库用MARC软件分析的每一个实际问题，都采用了这四种库的一种以上的元素。用户根据各种具体的结构分析进行适当的选择，下面简单介绍一下这四个库。单元库MARC的单元库提供了近150种单元，除了少部分单元外，其它单元均可用于线性和非线性分析，分析中单元数和单元类型可自由选择，不同类型单元可组合使用，如连接出现不协调，可用MARC提供的多种标准连接约束来保证单元间的一致性。四边形单元可以退化成三角形单元，六面体单元可以退化成五面、四面体单元。MARC单元库的主要单元包括：l 三维杆单元l 接触/摩擦单元定方向接触定距离接触用拉格朗日乘子引入接触/摩擦约束条件l 弯管单元考虑载面变形的弯管l 轴对称壳单元直线单元曲线单元任意加载的3节点曲线单元l 梁单元二维直线单元、曲线单元三维直线单元、曲线单元二维Timoshyenko曲梁单元三维薄壁闭载面单元三维薄壁开载面单元壳梁组合、加固构件考虑载面翘曲和扭转的薄壁开口梁单元l 平面应力单元3节点、4节点、8节点等参单元l 平面应变单元3节点、4节点、8节点等参单元6节点、9节点半无限单元l 轴称实体元3节点、4节点、8节点等参单元考虑扭转的4节点单元任意加载8节点单元l 广义平面应变单元4（2）节点、8（2）节点等参单元对于相对位移、相对转动采用附加自由度考虑弯曲的轴对称单元l 考虑弯曲的轴对称单元4节点、8节点单元接触/摩擦单元l 三维薄膜元4节点、8节点等参单元l 平板单元3节点、4节点、8节点单元l 曲面壳单元3节点、4节点、8节点薄壳单元l 三维壳单元8节点薄壳/厚壳单元4节点薄壳/厚壳单元l 三维实体单元8节点、20节点等参单元l 不可压缩单元5节点、8节点平面应变单元一般平面应变单元5节点、8节点轴对称单元才虎扭转的轴对称单元任意加载轴对称单元采用Herrmann变分原理，将静水压力作为附加自由度l Rebar单元8节点平面应变单元一般平面应变单元8节点三维单元8节点轴对称单元20节点三维单元l 三维剪切板单元4节点三维单元l 热传导单元2节点、3节点三维连接元3节点、4节点、8节点轴对称单元3节点、4节点、8节点轴对称单元8节点。20节点三维固体单元4节点、8节点壳元2节点、3节点轴对称壳单元l 其它单元8节点三维磁场单元12节点磁场半无限单元4节点电磁场平面单元4节点电磁场轴对称单元8节点电磁场三维单元l 减缩积分单元高次等参单元减少积分点数，对于低次单元采用归约积分，只有一个积分点l 常体积膨胀适用低阶单元，用于模拟不可压缩行为，避免传统方法中过于刚强硬、易于锁死的缺陷l 假定应变法增强低阶单元模拟弯曲变形能力l 缆索单元功能库 MARC功能库包含了对分析目标进行准确模拟、快速生成输入数据、准确高效进行分析以及多种结果输出的众多功能，具体如下：l 网格自动划分功能二维单元自动划分三维单元自动划分壳坐标的生成PIPE LINE自动划分增分法、分割法l 输入数据自动行生成功能增分法分割法有规律的边界条件、载荷条件的生成l 几何约束条件局部坐标系壳单元局部坐标系弹簧（线性、非线性）Tying（节点自由度间的线性约束条件）边界条件l 载荷条件集中载荷、分布载荷、重力、离心力、向心力热载、初始应力l 载荷增量的控制机械载荷增量，指定位移增量自动调节、时间增量的自动调节（动力分析、热传导分析、蠕变分析、粘弹性分析）l 输入方法自由格式统一输入方法（关键词、数）集名的定义隐含值的利用l 带宽优化功能Cuthill-Mckee算法Sloan算法从外部文件读内部节点与用户节点的对应表可以几种优化方法组合使用可以几种优化方法组合使用l 用户子程序各种本构关系（弹性、塑性、粘弹性、蠕变等）各向异性（弹性、塑性主轴的定义）输入、输出（输入数据的生成、修正、输出数据的控制）节点坐标值的生成、修改单元划分Tying条件式绘图输出变量的定义l 外存的利用必要时可使用外部文件l 刚度矩阵的部分再生成适用于超大型问题l 重起动功能l 后处理功能单元、节点坐标、各种应力、应变、位移、反力等l 输出控制功能对于必须的输出数据进行详细控制l adaptive meshing功能自动加密或减疏网格l 单元死活功能分析过程中增加或减少单元l Rezoning功能网格退化的处理分析结果的平滑化l 求解器直接求解器迭代EBE迭代SPARSE非对称求解器并行求解器分析库 MARC分析库包含许多分析类型，用户根据具体问题，需作必要的选择，分析库具体内容如下：l 线性分析l 弹塑性分析载荷按比例加一步达到初始屈服（SCALING）自动增量l 蠕变分析自动时间增量l 热应力分析从后处理文件将热传导分析结果读入自动增量l 粘弹性分析自动增量l 大变形分析更新拉格朗日法屈曲特征值、屈曲模态载荷位移曲线蠕变屈曲牛顿拉弗林迭代法应变修正法l 有限塑性应变分析超弹性材料应变能函数刚塑性分析欧拉法定常速度场l 有限应变弹性分析超弹性材料的应变能函数l 断裂分析J积分Lorenzi求J积分方法l 裂纹扩展裂纹承受拉伸载荷时材料软化，承受压缩载荷时裂纹闭锁、压坏。l 动力分析固有频率、固有模态因子Lancos法、子空间法、模态迭加法、Houbolt法、中心差分法、Newmark-Beta法瑞利阻尼数值阻尼l 频谱分析适用于地震最大响应分析l 粘弹性体简谐振动分析l 流体固体耦合分析l 轴对称结构承受任意载荷傅立叶展开l 多次线性分析结果迭加l 热传导分析稳态、瞬态热传导分析对流换热边界条件（包括辐射）热流、潜热l 热电耦合分析l 润滑分析l 热机械耦合分析l 自动塑性加工分析弹塑性、刚塑性、应变速率相关本构关系、自动接触条件材料库MARC材料库包含30多种材料本构模型，可以考虑材料的线性和多种非线性材料特性的温度相关性、各向异性等。具体如下：l 弹性材料特性与温度相关l 塑性Von Mises屈服准则Prandlt-Reuss流动准则各向同性硬化准则运动硬化准则混合硬化准则屈服应力、硬化模量与温度相关T-T-T（时间、温度相关的相变）l 蠕变等效应力、等效蠕变应变、温度及时间硬化蠕变模型纯膨胀引起的蠕变模型l ORNL推荐的模型高温下金属循环塑性辅助本构关系第10个循环的屈服应力作反向屈服应力第100个循环的屈服应力作循环加载的屈服应力塑性与蠕变相互作用l 与静水压力相关的屈服准则岩土、冰等材料常用线性Mohr-Coulomb屈服准则抛物线型Mohr-Coulomb屈服准则l 亚弹性任意的应力增量应变增量关系式l 不可压缩材料波松比等于0.5或接近0.5的材料用Herrmann描述Taylor各向异性本构关系l 超弹性橡胶类材料Mooney-Rivlin本构关系Jamus-Green-Simpson本构关系Neo-Hookean本构关系l 粘弹性Maxwell应力松驰模型Vogit蠕变模型温度相关性TRS（单纯的热粘弹性）材料l 大变形影响第二类Piola-Kirchhoff应力格林应变l 有限应变影响其实应力对数应变l 热膨胀系数温度相关l 各向异性弹性塑性热膨胀系数l 复合材料破坏条件（最大应力、最大应变、Tsai-Wu、Hoffman）的多种定义l 低抗拉材料冰、带裂纹构件温度相关性l 一般塑性本构关系屈服条件流动准则12 MARC安装后的有关目录 目 录 名内 容marck72/bin各个执行文件marck72/lib各个程序的obj文件marck72/commonMARCK72分析程序的公共块marck72/tools MARC程序的执行命令及各个 程序执行模块生成的命令marck72/demo例题输入文件及其用户子程序marck72/user用户子程序的模板文件13 MARC程序手册的组成 MARC提供以下手册以供参考A卷程序功能第1章 MARC系统第2章 程序初始化第3章 数据输入第4章网格定义第5章 结构分析库第6章非结构分析库第7章 材料库第8章 接触第9章 边界条件第10章 单元库第11章 非线性系统的求解过程第12章 结果输出B卷单元库B1介绍B2单元分类B3各种单元信息C卷程序输入C1程序概要C2参数选项C3模型定义选项C4历程定义选项C5REZONINGD卷用户子程序D1 介绍D2 定义载荷、边界条件和状态变量的子程序D3 定义材料各向异性和本构关系D4 定义粘塑性和本构关系D5 定义粘弹性D6 定义几何修正D7 定义输出结果D8 定义滑动轴承D9 定义用户的特殊输出要求E卷例题集E1 介绍E2 线弹性分析E3弹塑性和蠕变分析E4大变形分析E5热传导分析E6动力问题E7接触E8高级课题E9 流体E10 灵敏度和优化F卷理论文章14 MARC的文件系统15 MARC软件的运行n 在MENTAT界面中激活RUN submit1 n 以命令行的方式，按下列命令执行分析程序 （1）运行MARC 在UNIX操作系统下，采用“run_marc”命令进行运行，“run_marc”具有下列许多选项，具体含义将在（2）中说明。run_marcjid jidname -rid ridname pid pidname sid sidname user username prog progname back backvalue save savevalue vf viewname def defname ver verifyvalue“run marc”运行时，屏幕响应如下：run_marc jid e2x1 back noprogram name ：marck72Job ID ：e2x1User subroutine name ：Restart file job ID ：Substructure ID ：Post file job ID ：Save generated module ：noRun job in background ：noAre these parameters correct（yes,no,quitno）? YesMARC JOB e2x1 BEGING EXECUTIONMEMORY IN MAIN PROGRAM SET TO18000000MARC PROGRAM EXECUTIONMARC的信息MARC EXIT NUMBER 3004 在NT操作系统下，采用“run_marc”命令进行运行，“run_marc”具有下列许多选项，具体含义将在（2）中说明。run_marcjid jidname rid ridname pid pidname sid sidname user username prog progname vf viewname def defname save savevalue “run marc”运行时，屏幕响应如下：run_marc jid e2x1 MARC K72 Windows_NT Version- program name：marck72Job ID：e2x1User subroutine name：Restart file job ID：Substructure ID：Post file job ID：Save generated module：noView Factor ID ：Default File ID ：MARC JOB e2x1 BEGING EXECUTIONMEMORY IN MAIN PROGRAM SET TO18000000MARC PROGRAM EXECUTION MARC的信息MARC EXIT NUMBER 3004（2）“run_marc”关键词关键词 变量内容prog*“marc”运行MARC“mesh3d” 运行MARC 的mesh3d模块 “plot”运行MARC PLOT “pipe”运行PIPEprogname用户生成的MARC执行文件名jidjidname输入文件名 jidname.dat必须存在ridridname运行MARC时重起动文件名运行MESH3D，PIPE时生成的网格文件名pidpidname运行MARC时热应力计算的后处理文件名运行PLOT时读入的后处理文件名sidsidname子结构用文件名userusername含有用户子程序的用户文件.f生成可执行文件.marcback“yes”or“y”在后台执行*“no”or“n”在前台执行save“yos”or“y”保留生成的执行文件*“no”or“n”不保留生成的执行文件vf (viewname) 辐射视角系数的数据文件def (defname) 用户缺省的输入数据 文件ver*“yes”or“y” “run_marc”检查命令 选项“no”or“n” “run_marc”不检查命令选项 （*为隐含值）（3）使用实例1run_marc jid e21采用输入数据文件e21.dat进行分析2run_marc jid e214 user u214 sav y u214.f输入数据文件为e214.dat，执行文件为由用户文件 u214.f编译、连接形成的u214.marc并将执行文件u214.marc保留。3run_marc jid e14a prog u214利用2已生成的执行文件u214.marc进行分析4run_marc jid e32a v no b no在前台运行并不检查输入命令的选项5. run_marcjid e32b rid e32a利用4生成的重起动文件e32a.t08继续分析e32b.dat进行e511a的温度场分析6run_marc jid e511a7run_marc jid e5x11c pid e511a利用6生成的后处理文件e511a.t16，进行e511c的热应力分析16 运行MARC所需的Job文件的数据构成MARC程序的输入数据大致由以下几部分组成包括：1. 参数选项2. 模型定义选项3. 历程定义选项4. 绘图输出选项如果要使用用户子程序，用户必须提供用FORTRAN语言编写的用户子程序，并提供这些用户子程序所需的一些数据。参数选项具有以下功能1. 确保分析所需的工作空间2. 注册使用的单元3. 指示使用的功能4. 对作业的空间进行分配（边界条件的最大个数、分布载荷单元表中最大单元个数）重起动时这部分数据不允许改动这部分数据以END为结束标记模型定义选项具有以下功能1. 输入的单元节点编号及节点坐标2. 输入材料常数、几何形状参数3. 输入位移边界条件、载荷条件4. 输入其它进行模型分析时所需的数据及分析方法、收敛判定方法、收敛判定条件等分析控制数据除控制数据以外，其它数据在重起动时不允许改动 这部分数据以END OPTION为结束标记历程定义选项具有以下功能1. 载荷增量、位移增量、时间增量等增量数据的定义2. 输出控制、约束条件的变更数据输入 这部分数据以CONTINUE为增量步结束标记，可以填入多个历程定义数据选项，描述多步加载历程。绘图输出选项具有以下功能 结构图（未变形）、变形图、等应力线图、等应变线图绘制数据的定义各绘图输出选项以END PLOT结束。输入数据顺序分别按参数选项、模型定义选项、历程定义选项的顺序输入，绘图输出选项根据要求的位置插入。输入数据的规则及特点1 以关键词的形式输入数据，根据分析所需，选择必要的关键词输入。2 输入数据有一定的顺序要求，应根据手册C卷要求的顺序输入。3 数据的输入基本按整数15、实数E10或E15的格式输入。4 除采用固定格式外，还可用自由格式输入，此时数据之间以逗号“，”相隔。同一个输入文件可以固定格式和自由格式混用，但每一个选项只能用一种格式。如果某一行数据只输入一个整型数而又用自由格式输入，则需在整数后加“，”。5 同一关键词可以使用多次，当数据重复定义时，程序采用最后一次输入的数据。6 载荷数据、边界条件数据处理成增量值，指定载荷状态、位移状态按增量值输入。项目表（List）输入方法载荷条件、位移边界条件施加的节点和材料特性、几何形状定义的单元，称为项目表。项目表的输入方法有新旧二种，对于K版均采用新的格式，下面仅介绍新格式的输入方法，旧格式可参见MARC手册A卷、C卷。1 将表内容全部直接列出例：3152412 用TO、BY形式将有关内容列出例：5TO37BY83 用集名列出，集名所含项目在DEFINE选项中定义例：MYSET另外，可用AND、INTERSECT、EXCEPT将多个子集进行组合例：“子集1AND子集2EXCEPT子集3”，各子集用以上3种方法定义例：5 TO37BY8ANDMYSETEXCEPT 3 15241输入、输出文件举例下面通过一个简单例题对输入数据及输出结果文件作概要说明。例题：悬臂梁受端部载荷的问题一端固定、长为10 in 、截面为11 in2 的悬臂梁，承受端部800 ps的集中力。材料的弹性模量为30000000 ps/in2，波松比0.3。屈服应力和塑性应变的关系见下图有限元分析模型采用40个四节点四边形单元，单元类号为11。梁的左端固支，右顶端施加800ps载荷。输入数据参数选项必须有的选项TITLE： 标题SIZING： 单元总数、节点总数等LARGE DISP：考虑几何非线性DIST LOAD： 载荷类型ELEMENTS： 单元类型END： 参数选项结束模型定义选项CONNECTIVITY定义单元节点编号COORDINATES定义节点坐标GEOMETRY输入单元截面积ISOTROPIC定义材料常数POINT LOAD定义节点集中载荷FIXED DISP定义边界条件END OPTION模型定义选项结束历程定义选项CONTROL 求解控制信息AUTO LOAD 载荷步长控制 POINT LOAD 增量步载荷CONTINUE 历程选项结束对于弹塑性问题的求解，程序要求输入历程定义选项进行增量非线性分析。输入数据文件内容如下：title job1$.MARC input file produced by Mentat 3.2sizing 1000000 40 55 110elements 3processor 1 1 1$no listlarge dispall pointsdist loads 0 0 1setname 3end$.solver 0 0 0 0 0 0 0optimize 9connectivity 1 3 1 6 7 2 2 3 2 7 8 3 3 3 3 8 9 4 4 3 4 9 10 5 5 3 6 11 12 7 6 3 7 12 13 8 7 3 8 13 14 9 8 3 9 14 15 10 9 3 11 16 17 12 10 3 12 17 18 13 11 3 13 18 19 14 12 3 14 19 20 15 13 3 16 21 22 17 14 3 17 22 23 18 15 3 18 23 24 19 16 3 19 24 25 20 17 3 21 26 27 22 18 3 22 27 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