本书针对MSC.Marc软件的使用与操作，从有限元法的基本原理定义和发展历史、MSC.Marc软件的介绍以及具体工程问题的仿真分析方法，对有限元分析基础理论及软件进行了基础入门指导。通过结合一系列的工程应用案例，系统地讲解了MSC.Marc软件在工程领域的数值模拟分析。
本书通过结合一系列的工程应用案例，系统地讲解MSC.Marc在工程领域的数值模拟分析。面向有限元仿真全面综合的内容汇总，零基础一周marc上手。
前言
作为材料加工领域的一个重要分支，激光焊接是一个涉及多学科、多物理场的复杂过程。虽然焊接科研工作者借助现代分析测试手段对激光焊接过程有了一定的认识，但是仍然存在大量的未知现象有待进一步厘清和探索。近年来，随着数值模拟技术与软件工程的发展，越来越多的通用商业有限元模拟软件在焊接领域得到了应用。MSC.Marc是国际上功能最强大的大型有限元软件之一，其基于位移法的有限元程序在非线性方面具有强大的功能。其拥有能够真实反映材料加工过程的生死单元技术与本构模型，并提供多种焊接热源模型，能够准确灵活地对真实焊接过程中的工程应用问题进行模拟计算。
本书针对MSC.Marc软件的使用与操作，从有限元法的基本原理定义和发展历史、MSC.Marc软件的介绍以及具体工程问题的仿真分析方法，对有限元分析基础理论及软件进行了基础入门指导。通过结合一系列的工程应用案例，本书将系统地讲解MSC.Marc在工程领域的数值模拟分析。本书共分为三部分，即有限元分析基础理论篇、软件基础入门篇和焊接与材料加工应用篇，共计9章内容。
本书的内容安排如下。
本书优质部分主要介绍有限元法基础理论、弹性力学和热传导学基本问题，本部分为有限元分析基础理论篇，包括第1~3章。
第1章是有限元法概述，主要从有限元法的发展历史角度切入，详细介绍有限元的由来及其内在含义，说明有限元法的特有优势，有限元分析的一般步骤，有限元作为研究和设计工具在解决科学研究、工程计算、工程设计问题的应用范围以及未来发展趋势。
第2章通过基本假设、基本概念、基本方程三个方面对有限元分析中不可回避的弹性力学问题进行处理及讨论，介绍弹性力学中的能量原理和平面问题，提出弹性理论的解题方法和基本求解步骤。这对读者充分理解和掌握有限元分析中弹性力学及基本物理方程和一般内在原理是非常重要的。
第3章介绍有限元分析中热传导问题的基本方程及求解原理，读者将从变分法和加权余量法对有限元解法原理有更好的理解。
本书第二部分主要讲解MSC.Marc软件的基本功能、特点和入门教程，本部分为软件基础入门篇，包括第4章和第5章。
第4章是MSC.Marc有限元分析软件的整体介绍，软件简介重点从主要模块、安装目录和帮助文件三个方面说明，核心讲解MSC.Marc的主要功能分析模块、焊接和材料加工过程中的建模分析流程与常用文件，以及软件的接口功能。通过阅读此部分，读者能够快速了解软件的基本功能。
第5章是为满足首次使用MSC.Marc的读者了解有限元分析问题一般处理和求解过程而编写的，读者将从商业软件对基本科学与工程问题的基本求解过程中有所受益。更为重要的是，本章为读者指出了MSC.Marc的前后处理功能模块和平板对接电弧焊接热过程逐步求解的知识。与现有的许多MSC.Marc有限元分析书籍相比，本书第5章是特别安排的。
本书第三部分对焊接与增材结构分析领域的焊接热循环问题、焊接应力与变形分析，以及焊接工艺优化等典型问题的分析流程及方法进行了介绍，内容涉及典型结构激光焊接过程、典型工程机械结构焊接过程、典型航天结构激光焊接过程和激光增材制造过程的建模及结果分析等。第三部分为焊接与材料加工应用篇，包括第6~9章。
第6章介绍典型基础焊接结构的建模与仿真分析过程，囊括铝锂合金平板对接激光焊接过程和T型结构双激光束双侧同步焊接过程、Invar合金激光电弧复合焊接过程和多层多道MIG自动焊接过程等简单实例的建模及求解过程。通过书中精心设计的实例，读者将对MSC.Marc求解典型基础结构焊接过程有更好的理解。
第7章和第8章分别介绍了典型工程机械结构和航天结构焊接过程的建模与仿真案例分析，该部分为第6章中简单结构的复合，通过结合大量的工程实例，对一些大型焊接结构模拟过程中的常见问题及解决方法，以及焊接模拟的模型建立、问题求解和后处理结果中需要考虑的关键问题进行了讨论和分析，使读者可以掌握焊接中的模拟过程，同时还可以进行自定义材料和子程序的二次开发。
第9章对激光增材再制造过程建模与仿真案例进行了详细介绍，包括激光熔化沉积、激光熔覆表面改性，以及飞机零件表面纳米仿生结构增材再制造过程的温度场、应力变形场建模与求解过程，通过此部分阅读，能够使读者掌握激光增材制造过程模拟的基本理论和关键技术，并且能够利用MSC.Marc软件进行相关加工过程的数值模拟研究工作。
涵盖有限元分析方面的书籍和刊物的数量在不断增加，作者结合工程实践提出了更多的案例。第三部分通过一系列重要工程领域中的相关应用，阐述了MSC.Marc的求解能力。本部分特别想通过某些MSC.Marc应用案例来激发读者的兴趣。
本书由南京航空航天大学占小红教授和海克斯康公司陈火红研究员负责编撰。占小红教授负责全书的统筹，并负责第1~3章和第6~9章的撰写；陈火红研究员负责第4~5章的撰写。本书的撰写还得到了南京航空航天大学高转妮博士、赵艳秋博士、颜廷艳博士、张家豪博士以及叶泽涛、冯宇、刘婷、史博文、黎一帆、师慧姿、窦志威、吕惺玥、雷德梁等研究生的大力支持，在此表示感谢！由于作者水平有限，虽然已经多次校对，但书中疏漏和错误之处在所难免，敬请和广大读者批评指正。
作者
2024年5月
占小红，南京航空航天大学二级教授、博士生导师。主要从事激光加工、增材制造、先进焊接与连接等领域相关的机理、技术与装备研究。入选国家“万人计划”科技创新领军人才、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省“333人才”。担任中国机械工程学会焊接学会理事、中国机械工程学会再制造工程分会委员等学术职务。主持承担项目十余项、航空航天型号研制十余项。研究成果成功应用于大型民用客机、军用飞机、运载火箭、XXX等重大型号的研制与批产。在行业知名期刊发表SCI论文150余篇，获授权发明专利60余件，出版专著1部。获江苏省科学技术奖一等奖、航空工业科技进步二等奖、江苏省教学成果二等奖两项、南航教学奖一等奖等。
目录
第1章有限元法的基本理论
1.1概述
1.2有限元法简介
1.3有限元法的发展与现状
1.3.1有限元法的发展历史
1.3.2有限元法的研究现状
1.4有限元法的由来及基本思想
1.4.1有限元法的由来
1.4.2有限元法的基本思想
1.5有限元分析的一般过程
1.5.1结构的离散化
1.5.2单元分析
1.5.3整体分析
1.6有限元法的特点
1.7有限元法的应用领域
1.8本章小结
第2章弹性力学问题有限元法的一般原理
2.1弹性力学的基本假设
2.2弹性力学的基本概念
2.2.1外力
2.2.2应力
2.2.3应变
2.2.4位移
2.2.5主应力
2.2.6相当应力
2.2.7主应变
2.3弹性力学的基本方程
2.3.1外力与内力的关系——平衡微分方程
2.3.2位移与应变的关系——几何方程
2.3.3应变与应力的关系——物理方程
2.3.4边界条件
2.4弹性理论问题的解题方法
2.5弹性力学中的能量原理
2.5.1虚功原理
2.5.2最小势能原理
2.5.3最小余能原理
2.6两类平面问题
2.6.1平面应力问题
2.6.2平面应变问题
2.7弹性体的位能
2.7.1应变能
2.7.2外力位能
2.7.3弹性体的总能
2.8有限元法求解问题的基本步骤
2.9本章小结
第3章热传导问题有限元法的一般原理
3.1热传导方程
3.1.1傅里叶定律
3.1.2热传导的控制方程
3.1.3初始条件和边界条件
3.2有限元解法原理
3.2.1有限元法简介
3.2.2变分法
3.2.3简单三角形单元变分法分析
3.2.4加权余量法
3.3本章小结
第4章MSC.Marc的功能和特点
4.1MSC.Marc软件简介
4.1.1MSC.Marc软件的主要模块
4.1.2Marc 2020安装后的目录
4.1.3Marc 2020的帮助文档
4.2MSC.Marc主要功能分析
4.2.1结构分析
4.2.2热分析
4.2.3多物理场分析
4.2.4联合仿真分析
4.3MSC.Marc的建模分析流程与常用文件
4.3.1建模流程
4.3.2分析流程
4.3.3常用文件
4.4MSC.Marc的软件接口功能
4.4.1模型导入
4.4.2模型导出
4.5本章小结
第5章MSC.Marc入门教程
5.1MSC.Marc的前后处理功能模块
5.1.1几何和分网
5.1.2表格和坐标系的定义
5.1.3几何特性
5.1.4材料特性定义
5.1.5接触定义
5.1.6初始条件定义
5.1.7边界条件定义
5.1.8网格自适应
5.1.9分析工况的定义
5.1.10作业参数的定义并提交运行
5.1.11后处理
5.2MSC.Marc求解平板对接电弧焊接热过程
5.2.1平板模型的建立
5.2.2网格划分
5.2.3材料物性参数设置
5.2.4焊接路线设置
5.2.5定义初始条件
5.2.6定义边界条件
5.2.7定义焊接过程
5.2.8定义冷却过程
5.2.9定义作业
5.2.10后处理
5.3本章小结
第6章基于MSC.Marc求解典型结构激光与电弧焊接过程
6.1基于MSC.Marc求解铝锂合金平板对接激光焊接过程
6.1.12060铝锂合金焊接过程有限元模型的建立
6.1.22060铝锂合金对接结构激光焊接温度场仿真分析
6.2基于MSC.Marc求解铝锂合金T型结构双激光束双侧同步焊接过程
6.2.12195铝锂合金T型结构焊接过程有限元模型的建立
6.2.22195铝锂合金T型结构焊接工艺优化有限元分析
6.3基于MSC.Marc求解Invar合金激光-电弧复合焊接过程
6.3.1Invar合金复合焊接有限元模型建立
6.3.2Invar合金激光-MIG复合焊温度场求解与分析
6.4基于MSC.Marc求解Invar钢多层多道MIG自动焊接过程
6.4.1Invar钢焊接过程有限元模型的建立
6.4.2Invar钢焊接工艺优化有限元分析
6.5本章小结
第7章典型工程机械结构焊接过程建模与仿真案例分析
7.1问题描述
7.2大吨位履带吊转台结构件有限元模型的建立
7.2.1几何模型及单元网格划分
7.2.2大吨位履带吊转台结构件材料参数库建立
7.2.3焊接路径定义
7.2.4填充金属定义
7.2.5初始条件及边界条件定义
7.2.6定义工况
7.2.7定义作业
7.3大吨位履带吊转台结构件模拟结果分析和验证
7.3.1转台结构件焊后残余应力分布
7.3.2转台结构件焊后等效应力分布
7.3.3转台结构件焊后残余变形分布
7.3.4转台结构件焊后残余变形结果验证
7.4转台结构焊接变形控制与优化
7.4.1组件焊接顺序优化
7.4.2分段焊接顺序优化
7.4.3长短焊接顺序优化
7.5本章小结
第8章典型航天结构激光焊接过程建模与仿真案例分析
8.1需求介绍
8.2铝锂合金蒙皮-桁条结构火箭贮箱双激光束双侧同步焊接过程
8.2.1问题描述
8.2.2铝锂合金蒙皮-桁条三桁条典型件结构双激光束双侧同步焊接有限元建模
8.2.3铝锂合金蒙皮-桁条模拟段结构双激光束焊有限元建模与仿真分析
8.3铝合金蒙皮-桁条结构推进舱双激光束双侧同步焊接过程
8.3.1问题描述
8.3.2蒙皮-桁条结构有限元建模
8.3.3蒙皮-桁条结构试片件热机耦合模拟结果
8.3.4典型件结构热机耦合模拟结果
8.3.5模拟段热机耦合模拟结果
8.4本章小结
第9章激光增材制造过程建模与仿真案例分析
9.1Invar合金激光熔化沉积过程温度场有限元仿真分析
9.1.1问题描述
9.1.2有限元模型建立
9.1.3温度场结果与分析
9.2TC4表面激光熔覆FeCoCrNi合金过程温度场有限元仿真分析
9.2.1问题描述
9.2.2高熵合金激光熔覆有限元模型建立
9.2.3温度场结果与分析
9.3飞机典型零件表面激光熔覆微-纳米耦合仿生层过程有限元仿真分析
9.3.1综述
9.3.2激光熔覆TC4/WC复合层有限元模型建立
9.3.3应力场和变形模拟结果与分析
9.4本章小结
参考文献
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