上机实验报告
问题一、模具加热过程温度场的有限元模拟
一、问题描述
有一很长的方形模具，其截面结构见问题一图，外部尺寸为300⨯300 mm, 内部为50⨯50 mm ，现需进行加热奥氏体化。模具初始为室温25℃，装入炉温为1000℃空气加热炉加热，假定外表面与炉气换热系数为250 W/m⋅K ，内表面与炉气换热系数为80 W/m⋅K ，模具材料密度为7800 kg/m，导热系数为35 W/m⋅K ，比热为460 J/kg⋅K 。试计算该模具内温度场，升温最快点和最慢点的加热曲线。（各类参数可以自己改变，以研究其对结果的影响）
322
问题一图
二、模型描述
因模具对x 轴、y 轴对称，只取右上部简化问题。
简化后，模型拥有2个4节点的四边形单元，手动添加节点（0.025,0,0），（0.15,0,0），（0,0.025,0），（0.025,0.025,0），（0.15,0.025,0），（0,0.15,0），（0.15,0.15,0）。
细分单元时，每个小单元为0.005×0.005的正方形。
最后清除重复节点，检查单元法线方向，重新编号。
三、材料参数
材料参数使用题目给出的数据，材料参数的分析类型为thermal ，材料类型为standard ，
3输入的热力学参数：K=35 W/m⋅K ，比热为460 J/kg⋅K ，模具材料密度为7800 kg/m，如图。
四、初始条件
模具初始温度为25℃。初始条件initial conditions选择thermal 类型当中的
temperature ，输入初始条件temperature=25。
将初始条件赋予所有存在的节点。
五、边界条件
环境温度为1000℃，外表面与炉气换热系数为250 W/m⋅K ，内表面与炉气换热系数为280 W/m⋅K 。
边界条件1：输入环境温度ambient temperature=1000，换热系数film coefficient=250。 将边界条件1赋予模具外边界，如图。 2
边界条件2：输入环境温度ambient temperature=1000，换热系数film coefficient=80。将边界条件2赋予模具内边界，如图。
六、计算设定
设置最大增量步数max # increments in job=1000000，最大迭代次数max # recycles=20，。
设置收敛准则，输入max error in temperature estimate=0.5，max temperature change before reassembly=0.5。
输入工况分析时间total loadcase time=1000000。
设置最大增量步数max # increments=1000000，初始时间步长initial time step=0.01，将任务结束条件换成finish when exceed，输入任务结束温度finish temperature= 840，输入允许的最大温度改变max temperature change allowed=2。
新建类型为thermal 的任务，激活载荷工况lcase1，激活所有边界条件及初始条件。分析维度analysis dimension设置为axisymmetric ，激活热容矩阵分析选项lumped capacity 。设置analysis dimension为axisymmetric ，并选择solid 中quad 下的40，将单元类型设置为轴对称4节点四边形全积分单元。
对所有单元施加此单元类型。检查任务设置有无警告及错误。确认没有警告及错误提示后提交任务，等待计算完成。
七、结果分析
打开结果文件，激活contour bands查看温度云图，得到最终结果温度云图如图所示。
通过path plot 可知升温最快点为右上角的顶点，升温最慢点为模具内中部处。对对角线方向若干个点，作path plot 可得。
通过history plot可得7号节点，4号节点及66号节点的加热曲线。
问题二 、有孔平板拉伸平面应力问题的有限元模拟
一、问题描述
一个带圆孔平板如问题二图所示。平板为方形，边长30mm ，内孔半径2.5mm 。两侧受均布拉伸载荷p = 20 N/mm。平板材料性能参数包括：泊松比0.3，弹性模量200GPa 。试分析平板内部变形情况及应力场。（各类参数可以自己改变，以研究其对结果的影响）
问题二图
二、模型描述
因模型对x 轴、y 轴对称，取右上部简化问题。
简化后手动添加节点（15,0,0），（15,15,0），（0,15,0）。将此三节点通过添加多折线polyline 连接。以原点（0,0,0, ）为中心点，（2.5，0,0）为起点，通过arc_cpa作一条90°的圆弧。
再将直纹面转换为单元。设置division 为20 20，设置bias factors 为0 -0.4，将直纹面转化为小单元。图为最终结果。
三、材料参数
材料参数的分析类型为structural ，材料类型为standard ，在structural 中输入材料属性：弹性模量Young ’s modulus=2e5 MPa，泊松比poisson ’s ratio=0.3，如图。
将上述材料参数赋予至所有单元中。
四、初始条件
无初始条件。
五、边界条件
边界条件受均布拉伸载荷p = 20 N/mm。
边界条件1：输入 pressure=-20，如图。
将边界条件1赋予右边界，如图。
边界条件2：新建边界条件2，输入displacement x=0，如图。
将边界条件2赋予左边界，如图。
边界条件3：新建边界条件3，输入displacement y=0。将边界条件3赋予下边界的点上。
六、计算设定
在任务jobs 当中新建类型为structural 的任务，在properties 的initial loads中激活三个边界条件。
在job results的available element tensors中激活stress 和total strain，available element scalars中激活mean normal stress，添加结果变量。
将analysis dimension改为plane stress。
在elements types 当中设置单元类型，把analysis dimension 改为planar ，在solid 当中选择quad 下的3，将单元类型设置为平面应力4节点四边形全积分单元。
将单元类型通过exist 赋予所有存在的单元。点击check 检查任务设置有无警告及错误，点击renumber all进行重新编号。确认无警告及错误提示后提交任务，等待计算完成。
七、结果分析
打开结果文件，激活contour bands查看云图，得到的结果如图，云图中显示的为x 方向上的变形量。
分别改变scalar 为Mean Normal Stress和Displacement ，分别得到图。
通过path plot可查看下方底边所有点的主应力曲线，得到。
八、讨论（体会，建议，感想）
通过本次实验，我学到了很多关于有限元方法的具体操作步骤，并能在了解其原理的同时尝试解决一些有关温度或应力场的问题。上机实验里学到的东西十分有效，在方便的解决问题的基础上，通过软件的模拟，了解材料在实验过程中的变化过程。
我建议是否能适当增加上机实验内容。我们这次的上机实验对于Marc Mentat 的学习仅属于了解的范畴，无法深入应用。并且是否能延长实验时间，让老师能更深入地讲解Marc Mentat 的运用，了解其每个步骤的原理，为我们以后自主运用该软件打下基础。
最后感谢老师在课程中对我的教导与帮助，感谢材料学院为我们设置了这一课程，令我们学到了更多的知识。
上机实验报告
问题一、模具加热过程温度场的有限元模拟
一、问题描述
有一很长的方形模具，其截面结构见问题一图，外部尺寸为300⨯300 mm, 内部为50⨯50 mm ，现需进行加热奥氏体化。模具初始为室温25℃，装入炉温为1000℃空气加热炉加热，假定外表面与炉气换热系数为250 W/m⋅K ，内表面与炉气换热系数为80 W/m⋅K ，模具材料密度为7800 kg/m，导热系数为35 W/m⋅K ，比热为460 J/kg⋅K 。试计算该模具内温度场，升温最快点和最慢点的加热曲线。（各类参数可以自己改变，以研究其对结果的影响）
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问题一图
二、模型描述
因模具对x 轴、y 轴对称，只取右上部简化问题。
简化后，模型拥有2个4节点的四边形单元，手动添加节点（0.025,0,0），（0.15,0,0），（0,0.025,0），（0.025,0.025,0），（0.15,0.025,0），（0,0.15,0），（0.15,0.15,0）。
细分单元时，每个小单元为0.005×0.005的正方形。
最后清除重复节点，检查单元法线方向，重新编号。
三、材料参数
材料参数使用题目给出的数据，材料参数的分析类型为thermal ，材料类型为standard ，
3输入的热力学参数：K=35 W/m⋅K ，比热为460 J/kg⋅K ，模具材料密度为7800 kg/m，如图。
四、初始条件
模具初始温度为25℃。初始条件initial conditions选择thermal 类型当中的
temperature ，输入初始条件temperature=25。
将初始条件赋予所有存在的节点。
五、边界条件
环境温度为1000℃，外表面与炉气换热系数为250 W/m⋅K ，内表面与炉气换热系数为280 W/m⋅K 。
边界条件1：输入环境温度ambient temperature=1000，换热系数film coefficient=250。 将边界条件1赋予模具外边界，如图。 2
边界条件2：输入环境温度ambient temperature=1000，换热系数film coefficient=80。将边界条件2赋予模具内边界，如图。
六、计算设定
设置最大增量步数max # increments in job=1000000，最大迭代次数max # recycles=20，。
设置收敛准则，输入max error in temperature estimate=0.5，max temperature change before reassembly=0.5。
输入工况分析时间total loadcase time=1000000。
设置最大增量步数max # increments=1000000，初始时间步长initial time step=0.01，将任务结束条件换成finish when exceed，输入任务结束温度finish temperature= 840，输入允许的最大温度改变max temperature change allowed=2。
新建类型为thermal 的任务，激活载荷工况lcase1，激活所有边界条件及初始条件。分析维度analysis dimension设置为axisymmetric ，激活热容矩阵分析选项lumped capacity 。设置analysis dimension为axisymmetric ，并选择solid 中quad 下的40，将单元类型设置为轴对称4节点四边形全积分单元。
对所有单元施加此单元类型。检查任务设置有无警告及错误。确认没有警告及错误提示后提交任务，等待计算完成。
七、结果分析
打开结果文件，激活contour bands查看温度云图，得到最终结果温度云图如图所示。
通过path plot 可知升温最快点为右上角的顶点，升温最慢点为模具内中部处。对对角线方向若干个点，作path plot 可得。
通过history plot可得7号节点，4号节点及66号节点的加热曲线。
问题二 、有孔平板拉伸平面应力问题的有限元模拟
一、问题描述
一个带圆孔平板如问题二图所示。平板为方形，边长30mm ，内孔半径2.5mm 。两侧受均布拉伸载荷p = 20 N/mm。平板材料性能参数包括：泊松比0.3，弹性模量200GPa 。试分析平板内部变形情况及应力场。（各类参数可以自己改变，以研究其对结果的影响）
问题二图
二、模型描述
因模型对x 轴、y 轴对称，取右上部简化问题。
简化后手动添加节点（15,0,0），（15,15,0），（0,15,0）。将此三节点通过添加多折线polyline 连接。以原点（0,0,0, ）为中心点，（2.5，0,0）为起点，通过arc_cpa作一条90°的圆弧。
再将直纹面转换为单元。设置division 为20 20，设置bias factors 为0 -0.4，将直纹面转化为小单元。图为最终结果。
三、材料参数
材料参数的分析类型为structural ，材料类型为standard ，在structural 中输入材料属性：弹性模量Young ’s modulus=2e5 MPa，泊松比poisson ’s ratio=0.3，如图。
将上述材料参数赋予至所有单元中。
四、初始条件
无初始条件。
五、边界条件
边界条件受均布拉伸载荷p = 20 N/mm。
边界条件1：输入 pressure=-20，如图。
将边界条件1赋予右边界，如图。
边界条件2：新建边界条件2，输入displacement x=0，如图。
将边界条件2赋予左边界，如图。
边界条件3：新建边界条件3，输入displacement y=0。将边界条件3赋予下边界的点上。
六、计算设定
在任务jobs 当中新建类型为structural 的任务，在properties 的initial loads中激活三个边界条件。
在job results的available element tensors中激活stress 和total strain，available element scalars中激活mean normal stress，添加结果变量。
将analysis dimension改为plane stress。
在elements types 当中设置单元类型，把analysis dimension 改为planar ，在solid 当中选择quad 下的3，将单元类型设置为平面应力4节点四边形全积分单元。
将单元类型通过exist 赋予所有存在的单元。点击check 检查任务设置有无警告及错误，点击renumber all进行重新编号。确认无警告及错误提示后提交任务，等待计算完成。
七、结果分析
打开结果文件，激活contour bands查看云图，得到的结果如图，云图中显示的为x 方向上的变形量。
分别改变scalar 为Mean Normal Stress和Displacement ，分别得到图。
通过path plot可查看下方底边所有点的主应力曲线，得到。
八、讨论（体会，建议，感想）
通过本次实验，我学到了很多关于有限元方法的具体操作步骤，并能在了解其原理的同时尝试解决一些有关温度或应力场的问题。上机实验里学到的东西十分有效，在方便的解决问题的基础上，通过软件的模拟，了解材料在实验过程中的变化过程。
我建议是否能适当增加上机实验内容。我们这次的上机实验对于Marc Mentat 的学习仅属于了解的范畴，无法深入应用。并且是否能延长实验时间，让老师能更深入地讲解Marc Mentat 的运用，了解其每个步骤的原理，为我们以后自主运用该软件打下基础。
最后感谢老师在课程中对我的教导与帮助，感谢材料学院为我们设置了这一课程，令我们学到了更多的知识。