我的MSC.Marc材料加工焊接模拟仿真与二次开发手册

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导读：时隔6个月，继《Deform金属材料加工工艺仿真，我的新手入门到“高手进阶”之路》推出Deform 金属材料成型、热处理、切削等加工工艺仿真视频教程以来，深受用户好评。尤其是VIP群用户，通过系统学习和群交流，帮助他们获得软件分析应用技术和行业宝贵经验，甚是欣慰。欢迎读者朋友们深入技术交流合作。近日笔者第二套系列课正式上架我的Marc材料加工焊接模拟仿真与二次开发学习手册上架了。它涉及激光焊，电子束焊，摩擦焊，超声焊接等焊接模拟操作和讲解；还包括各种焊接的二次开发程序编写，详情见后文.

一、Marc高级非线性有限元分析求解器

虽然MSC.marc软件，对于现在的学生来说，鲜有人知。但是提起把阿波罗系列飞船送上月球的NASA（美国国家航空航天局）一定大家非常耳熟能详。在上世纪冷战正酣时代，NASA为了满足日益复杂的航空器设计需求，主持开发了NSATRAN商用有限元软件，在结构振动，模态，强度，动力学计算方面功能强大。而MSC公司全程参与了NASTRAN的开发和后期维护，以及版本升级。而Marc是MSC公司的一个高级非线性有限元软件的代表作。

图片来自网络

MSC.Marc是功能齐全的高级非线性有限元软件的求解器，它具有的结构分析能力。可以处理各种线性和非线性结构分析包括：线性/非线性静力分析、模态分析、谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。

MARC的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多种线性和非线性复杂材料行为的材料模型。MARC软件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术，自动确定分析曲屈、蠕变、热弹塑性和动力响应的加载步长。MARC卓越的网格自适应技术，以多种误差准则自动调节网格疏密，不仅可提高大型线性结构分析精度，而且能对局部非线性应变集中、移动边界或接触分析提供优化的网格密度，既保证计算精度，同时也使非线性分析的计算效率大大提高。

此外，MARC支持全自动二维网格和三维网格重划，用以纠正过度变形后产生的网格畸变，确保大变形分析的继续进行。对非结构的场问题如包含对流、辐射、相变潜热等复杂边界条件的非线性传热问题的温度场，以及流场、电场、磁场，也提供了相应的分析求解能力；并具有模拟流－热－固、土壤渗流、声－结构、耦合电－磁、电－热、电－热－结构以及热－结构等多种耦合场的分析能力。

二、MARC求解器的前世今生

1、Marc的成长历史与优势

值得一提的是，上世纪60年代，在Brown大学任教的PedroMarcal，与他的学生David Hibbitt 合作，并以DavidHibbitt的博士论文为基础，开发了MARC，作为第一个非线性商业有限元程序进入市场。大约在同期，John Swanson 为了核能应用在Westinghouse发展了一个非线性有限元程序，起名为Ansys。Hibbitt与PedroMarcal 合作到了1972年，后来与其它人合作建立了HKS公司，开发了Abaqus。

Marc和Abaqus在非线性领域是公认有口皆碑。国外是欧洲用Abaqus多，而日本用Marc多。相对而言，Marc在工业应用中更广泛，Abaqus在高校用得更多。Marc被MSC收购后，前景远大，毕竟MSC拥有CAE领域最全面的产品，这些软件的整合将大大增强Marc的应用。在软件本身的收敛性方面，Marc中的很多功能仍然是非线性分析软件中的佼佼者，而且Marc的求解器速度很快。

与ABAQUS，ANSYS相比，msc.marc的优势在于：

Msc.marc提供了自动全局和自动局部网格重画分功能，这使得其在进行塑性加工等大变形模拟时，精度更高，更容易收敛；
Msc.marc软件直接提供了焊接专用模块，用户可以直接在软件图形界面自定义焊接路径，焊缝，焊接工艺参数。且焊接路径可以直接用节点，坐标或者曲线定义，焊缝可自动设置成生死单元在焊接过程中激活。而不需要像ABAQUS和ANSYS那样要全程编制程序和命令流，要知道对于复杂的焊缝，特别是不规则的焊缝，编写命令流几乎是不可能的。除此之外，msc.marc也提供了丰富的子程序开发接口，这些子程序开发接口与ABAQUS非常相似，稍加修改即可相互通用。
除焊接之外，msc.marc也提供了强大的热处理功能，使得用户可以在焊接时和焊接后考虑相变的影响，模拟结果精度更高。

2、Marc 2021.2版本主要亮点

（1）首先是疲劳分析：准确的疲劳寿命预测对于设计和工程市场至关重要。除了已有的弹性体疲劳分析能力外，此版本Marc嵌入了应力寿命和应变寿命疲劳分析功能，这使得Marc Mentat用户可以方便地扩展其有限元分析流程，可以包括金属和塑料的基于时域的疲劳分析。下图显示了Marc嵌入式疲劳分析功能用于预测汽车摆臂结构疲劳寿命的实例，分析得到在螺栓发生高周疲劳失效和裂纹之前的寿命为三百万个循环。

当用户有了适当的疲劳分析许可，就可以将非线性材料、载荷和接触模拟的影响结合起来，直接在Mentat中进行准确、高效的非线性疲劳分析。紧密的交互操作性允许Marc解算器直接使用CAEfatigue解算器依据应力分析结果计算疲劳寿命，然后在Mentat中显示疲劳分析结果，如损伤和寿命数值等。此版本使Marc用户的工作效率更高，因为大模型疲劳分析不再因文件传输而占用时间和计算资源。

（2）其次是形状记忆合金：Marc因擅长适用于复杂材料的研究和开发而闻名，此版本扩展了对形状记忆合金模拟的支持，支持梁和桁架单元采用记忆合金材料模型。下图显示形状记忆合金（SMA）支架从变形到恢复为原始形状的过程。

形状记忆合金（SMA）是一种能够“记住”其原始形状的材料，在激励作用下变形后的形状记忆合金结构可以恢复到原始形状，它们被用于诸如航空联轴器、医疗支架等产品。例如，SMA支架的直径大于要植入的目标动脉直径，利用SMA的迟滞性，在手术放置期间自动重塑形状，以适应动脉直径的大小。

Marc的SMA材料模型允许对应力引起的伪弹性效应以及热载荷引起的形状记忆效应进行模拟。在模拟过程中，Marc跟踪并引入SMA在奥氏体和马氏体之间的相变，以准确地描述物理行为。使用SMA材料，现在支持六面体、梁和桁架单元，Marc用户现在可以在模拟SMA时依据结构几何形状采用最适合的单元类型。

（3）再次是接触问题：Marc因其能够准确模拟聚合物和弹性体的非线性变形，被许多行业的OEM供应商大量用于复杂的垫片和密封设计。此版本中引入了一种混合接触算法，可更准确地解决结构尖角、网格重划分和自接触引起的复杂接触问题。该算法扩展了节点对面段（NTS）接触检测方法，目前支持平面和轴对称模型。改进的算法使Marc用户能够更准确地建模复杂的接触和密封场景，而用户不需对仿真有额外的监控或额外输入。

采用新的混合方法实现紧密密封的平滑接触

（4）最后是高性能计算：除了复杂的非线性分析，Marc开发团队继续致力于高性能计算能力的提高，以提供最高效的FEA解算器。升级到此版本后，使用MUMPS解算器的模拟速度将会提高到以前版本的1.7倍，用户不需做额外的设置。这种加速是由于MUMPS版本的升级带来的，新版本优化了重新排序算法并使用高级优化设置来提高分解速度。