塑性加工成形中的各種現象及其規律是十分復雜的，這使得塑性加工成形工藝和模具設計缺乏系統精確的理論分析手段，主要依據工程師長期積累的經驗，設計質量難以得到保證。借助于有限元模擬方法，可以獲得對于塑性加工成形過程規律的認識，用較小的代價、在較短的時間內找到最優的或可行的設計方案。有限元模擬對材料加工是強有力的設計、分析和優化的工具，可以分析預測成形期間零件形狀的變化、坯料的變形規律、最終應變分布、溫度場分布、全場應力與應變分布、組織性能變化規律、工藝參數對產品質量和尺寸精度的影響規律以及缺陷形成區域等，并可在零件生產前最大限度地優化工藝參數，加快生產周期、降低生產成本，所有這些對于成功地成形復雜形狀的零件并減少成形時間是至關重要的。采用有限元技術，可以實現對塑性成形全過程的參數監控與預測，進行材料的流動變形規律與各種工藝缺陷的變化規律研究，作為工藝參數優化與選擇的依據，對實驗起到指導和預測的作用，為提高塑性加工生產工藝設計、模具設計、設備設計提供理論依據，使工藝設計和生產控制擺脫人工試錯法，走向科學化和智能化。

塑性加工成形模擬技術經歷了幾十年的發展，國際上已經出現了一批塑性成形模擬軟件。其中，大型有限元分析軟件MSC.MARC是可以快速模擬各種冷熱成形、擠壓、軋制等塑性成形過程的工藝成形專用軟件，它可以實現對具有高度組合的非線性體成形過程的全自動數值模擬，MSC.MARC為滿足特殊用戶的二次開發需求，提供了友好的用戶開發環境，為塑性加工成形二次開發設計提供了開發平臺。

本書通過各種典型材料加工案例，詳細介紹MSC.MARC在材料加工工程中的應用及其相關的技術問題。全書以應用為主，理論為輔，一方面強調培養MSC.MARC有限元軟件基本應用能力，另一方面又強調提高應用MSC.MARC有限元軟件計算結果分析問題、解決問題的能力。

本書所有案例皆來自實際工程項目，不僅包括具體的建模過程，還包括具體的模擬結果分析與技術處理。全書共分13章，第1章由張士宏（中國科學院金屬研究所）編寫，介紹有限元技術在材料加工工程中的應用狀況。第2章由岳峰麗（沈陽理工大學）編寫，介紹有限元法的一些基本原理與關鍵技術。第3章由李毅波（中南大學博士生，MSC上海辦事處工程師）編寫，介紹MSC.MARC在材料加工過程中的常用技術。第4章由劉勁松（沈陽理工大學）、岳峰麗編寫，介紹異型結構件增量彎曲成形有限元模擬和一些MSC.MARC軟件的基本操作技能。第5章由肖寒（大連理工大學與中國科學院金屬研究所聯合培養博士研究生）、劉勁松編寫，介紹整體壁板滾彎成形有限元模擬。第6章由王祺（沈陽理工大學與中國科學院金屬研究所聯合培養碩士研究生）、劉勁松、肖寒編寫，介紹鎂合金型材彎曲成形有限元模擬。第7章由李毅波編寫，介紹金屬軋制成形的有限元模擬。第8章由梁海城（沈陽理工大學，東北大學博士研究生）編寫，介紹鎂合金板材異步軋制數值模擬。第9章由李冰（大連交通大學）編寫，介紹三輥行星軋制成形有限元模擬。第10章由陳仕清（大連理工大學與中國科學院金屬研究所聯合培養碩士研究生）、袁安營編寫，介紹管材液壓成形有限元分析實例。第11章由張海燕（中國科學院金屬研究所博士研究生）編寫，介紹高溫合金開坯鍛造過程中組織演變的有限元模擬。第12章由肖寒、潘進兵、劉勁松編寫，介紹銅盤管退火過程溫度場有限元模擬。第13章由林濤（中國科學院金屬研究所博士研究生）編寫，介紹管道對接焊有限元模擬。全書由劉勁松負責統稿，肖寒負責校對。讀者通過本書的學習，可以掌握有限元法解決實際工程問題的關鍵技術，學會應用本專業知識分析問題、解決問題，將理論分析與工程實踐緊密銜接在一起。本書附帶所有案例的模型文件，讀者可以在中國水利水電出版社網站及萬水書苑（http://www.waterpub.com.cn/softdown/及http://www.dgboyong.cn）下載。

本書既適合作為材料加工工程專業的本科生與研究生教材，也可作為相關企事業工程技術人員應用參考書，還可作為MSC.MARC有限元分析軟件的高級培訓教材。

本書的編寫得到了MSC公司的支持與鼓勵，特別是北京MSC辦事處的陳火紅先生對本書的編寫與出版給予了大力幫助，在此致以由衷的感謝！同時，還應感謝國家自然科學基金項目（50474059）的支持以及在本書編寫過程中給予作者支持與關心的老師和同事們！

成書之際，正值中國科學院金屬研究所塑性加工先進技術研究組建組十周年，這個小組在張士宏研究員的帶領下日益壯大，在材料加工領域作了大量的研究工作，取得了很多科研成果，培養了多名博士、碩士。參加本書編寫的人員基本上都是來自這個組，書中的大部分案例也都是這個組近些年來的研究項目與成果。在此謹將此書作為中國科學院金屬研究所塑性加工先進技術研究組組慶十周年的一份獻禮，祝張士宏老師和他的團隊蒸蒸日上，不斷進步。

由于編者水平有限，書中缺點、錯誤在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

劉勁松

2010年1月于沈陽

前言

第1章 緒論 1
1.1 有限元法的特點與發展過程 1
1.2 有限元法在塑性加工領域的應用 1
1.3 有限元法的基本問題 2
1.4 有限元法的發展趨勢 4
1.5 MSC.Marc有限元軟件的特點 6
第2章 有限元法的基本理論 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 有限元法分析計算的思路和做法 7
2.1.3 有限元分析的基本方法 8
2.1.4 學習有限元法所需的理論基礎 11
2.2 塑性有限元法分類 11
2.2.1 彈塑性有限元法 11
2.2.2 剛塑性有限元法 13
2.3 非線性方程組的數值解法 15
第3章 MSC.MARC在材料加工過程中的一些常用技術 18
3.1 變形的描述 18
3.1.1 定義 18
3.1.2 Eulerian坐標和Lagrangian坐標 18
3.1.3 Eulerian網格和Lagrangian網格 19
3.1.4 Lagrangian網格畸變的處理方式 22
3.2 局部自適應網格細劃分 22
3.2.1 自適應網格細劃分準則 22
3.2.2 局部自適應網格細劃分的數量 24
3.2.3 局部網格自適應實例分析 25
3.3 網格重劃分 27
3.3.1 網格重劃分器 27
3.3.2 網格重劃分準則 28
3.3.3 網格重劃分數量 28
3.3.4 網格重劃分實例分析 28
3.4 預狀態分析 31
3.4.1 預狀態分析的基本功能 31
3.4.2 預狀態分析應用實例 31
3.5 重啟動分析 36
3.5.1 重啟動分析的基本步驟 37
3.5.2 重啟動分析實例 37
3.6 熱－結構耦合分析 39
3.6.1 熱－結構耦合分析的基本概念 39
3.6.2 熱－結構耦合分析的基本過程 41
3.7 小結 42
第4章 異型結構件增量彎曲成形有限元模擬 43
4.1 引言 43
4.2 增量彎曲成形原理 43
4.3 異型結構件有限元模型的建立 44
4.3.1 幾何模型 44
4.3.2 單元網格劃分 45
4.3.3 定義材料特性 55
4.3.4 定義接觸條件 57
4.3.5 定義邊界條件 62
4.3.6 定義載荷工況 63
4.3.7 定義作業參數并提交運行 66
4.4 單筋條結構件變形模擬結果分析 70
4.4.1 單筋條結構件回彈分析 70
4.4.2 應變分布 75
4.5 單筋結構件失穩模擬結果分析 77
4.5.1 I形單筋結構件失穩分析 77
4.5.2 T形單筋結構件失穩分析 80
4.5.3 J形單筋結構件失穩分析 80
4.6 單筋結構件翹曲模擬結果分析 82
4.6.1 I形單筋結構件翹曲分析 82
4.6.2 T形單筋結構件翹曲分析 84
4.6.3 J形單筋結構件翹曲分析 86
4.7 有限元模擬對工程的指導作用 86
4.7.1 特征直線方程的建立 87
4.7.2 自適應增量成形工藝知識庫總體結構 89
4.7.3 自適應增量成形工藝知識庫參數獲取方法 90
4.7.4 應用與驗證 91
4.8 小結 91
第5章 整體壁板滾彎成形有限元模擬 93
5.1 引言 93
5.2 滾彎成形原理 93
5.3 滾彎成形有限元模型的建立 94
5.3.1 幾何模型 94
5.3.2 單元網格劃分 94
5.3.3 定義材料特性 105
5.3.4 定義接觸條件 107
5.3.5 定義邊界條件 111
5.3.6 定義載荷工況 114
5.3.7 定義作業參數并提交運行 115
5.4 整體壁板滾彎成形模擬結果分析 116
5.4.1 壁板應力分析 116
5.4.2 壁板應變分析 126
5.4.3 三輥作用力分析 133
5.4.4 回彈分析 134
5.5 小結 136
第6章 鎂合金型材繞彎成形有限元模擬 137
6.1 引言 137
6.2 繞彎成形原理 137
6.3 材料性能曲線測定 139
6.3.1 材料性能測定 139
6.3.2 材料的物理屬性 140
6.4 繞彎成形有限元模型的建立 142
6.4.1 幾何模型 142
6.4.2 單元網格劃分 146
6.4.3 初始條件 150
6.4.4 邊界條件 151
6.4.5 模具加載條件 153
6.4.6 材料的物理屬性 157
6.4.7 定義工況 163
6.4.8 定義作業參數 165
6.4.9 求解 167
6.5 鎂合金型材繞彎成形模擬結果分析 167
6.5.1 回彈分析 167
6.5.2 溫度對成形的影響 176
6.5.3 成形質量分析 179
6.5.4 創建動畫 184
6.6 小結 186
第7章 金屬軋制成形的有限元模擬 188
7.1 材料的變形抗力 188
7.1.1 冷軋變形抗力模型 188
7.1.2 熱軋變形抗力模型 189
7.1.3 MARC中對變形抗力模型的處理方式 190
7.2 軋制力能參數的計算 191
7.2.1 軋制力的計算及影響因素 191
7.2.2 MARC計算軋制力的方式 193
7.3 板厚、板形、寬展的計算 194
7.3.1 板厚 194
7.3.2 板形 194
7.3.3 寬展 196
7.3.4 MARC計算板厚、板形的方法 198
7.4 軋制過程溫度的計算 199
7.4.1 熱軋過程的基本傳熱方程與邊界條件 199
7.4.2 熱軋過程熱-結構耦合分析的邊界條件 199
7.4.3 熱軋過程熱－結構耦合在MARC中的實現 200
7.5 軋制成形分析應用實例 200
7.5.1 案例說明 200
7.5.2 模型的簡化 202
7.5.3 第一道次軋制仿真 202
7.5.4 第二道次軋制仿真 216
7.5.5 軋制過程的三維熱－結構耦合分析 224
7.6 小結 234
第8章 鎂合金板材異步軋制數值模擬 235
8.1 引言 235
8.2 板材異步軋制基本原理 235
8.3 板材異步軋制有限元模型的建立 236
8.3.1 幾何模型建立 236
8.3.2 單元網格劃分 236
8.3.3 材料特性定義 248
8.3.4 接觸條件定義 251
8.3.5 初始條件定義 256
8.3.6 載荷工況定義 256
8.3.7 定義作業參數并提交運行 258
8.4 鎂合金板材異步軋制模擬結果分析 260
8.4.1 板材異步軋制過程金屬流動分析 261
8.4.2 板材異步軋制等效應變場分布 262
8.4.3 板材異步軋制等效應力場分布 263
8.4.4 板材異步軋制溫度場分布 264
8.5 不同工藝參數對板材異步軋制過程的影響 264
8.5.1 不同軋輥轉速比對異步軋制的影響 264
8.5.2 摩擦因素對板材異步軋制的影響 268
8.5.3 坯料溫度對板材異步軋制的影響 273
8.5.4 軋輥溫度對板材異步軋制的影響 276
8.5.5 壓下率對板材異步軋制的影響 278
8.6 小結 283
第9章 三輥行星軋制成形有限元模擬 284
9.1 引言 284
9.2 三輥行星軋制成形基本原理 284
9.3 旋軋成形有限元模型的建立 285
9.3.1 建立軋輥芯棒小車坯料有限元模型 285
9.3.2 幾何參數的定義 293
9.3.3 材料特性的定義 294
9.3.4 連接控制的定義 295
9.3.5 接觸體和接觸表的定義 296
9.3.6 初始條件的確定 305
9.3.7 邊界條件的定義 305
9.3.8 工況的定義 307
9.3.9 定義作業參數并提交運行 309
9.4 旋軋成形變形規律模擬結果分析 311
9.4.1 坯料三角形效應分析 311
9.4.2 坯料受力特征分析 313
9.4.3 運動軌跡分析 314
9.4.4 接觸特征規律 316
9.4.5 坯料縱向運動的變形段 317
9.5 旋軋成形溫度場模擬結果分析 318
9.5.1 旋軋成形過程的溫度場分布 318
9.5.2 坯料上一點的溫度變化 319
9.5.3 坯料橫切面溫度場分布 320
9.5.4 坯料切面圓周溫度變化 322
9.5.5 旋軋成形應變速率特點分析 323
9.6 小結 324
第10章 管材液壓成形有限元分析實例 325
10.1 引言 325
10.2 管材液壓成形原理 325
10.3 管材液壓成形有限元模型的建立 326
10.3.1 幾何模型 326
10.3.2 單元網格的劃分 332
10.3.3 材料特性的定義 336
10.3.4 幾何特性的定義 339
10.3.5 接觸條件的定義 341
10.3.6 邊界條件的定義 345
10.3.7 載荷工況的定義 346
10.3.8 定義作業參數并提交運行 347
10.4 管材液壓成形模擬結果分析 351
10.4.1 壁厚分布 352
10.4.2 應變分布 354
10.5 小結 357
第11章 渦輪盤閉模鍛造中組織演變的有限元模擬 358
11.1 概述 358
11.2 組織演變的有限元計算 358
11.2.1 組織演變模型 358
11.2.2 用戶子程序二次開發 359
11.3 有限元模型的建立 364
11.3.1 幾何模型 365
11.3.2 材料模型 377
11.3.3 接觸條件 382
11.3.4 初始條件 386
11.3.5 網格重劃分 386
11.3.6 定義工況 387
11.3.7 定義作業參數 389
11.3.8 提交作業 392
11.4 結果分析 392
11.4.1 溫度場 393
11.4.2 等效應變場 394
11.4.3 流線場 395
11.4.4 組織場 396
11.5 小結 398
第12章 銅盤管退火過程溫度場有限元模擬 399
12.1 引言 399
12.2 銅盤管退火工藝過程 399
12.2.1 銅盤管退火工藝概述 399
12.2.2 銅盤管退火過程的傳熱分析 400
12.2.3 銅盤管退火過程傳熱學理論 401
12.2.4 銅盤管退火過程關鍵參數分析 403
12.3 銅盤管退火溫度場有限元模型的建立 404
12.3.1 幾何模型 404
12.3.2 單元網格劃分 405
12.3.3 材料特性定義 422
12.3.4 初始條件的定義 428
12.3.5 邊界條件的定義 429
12.3.6 載荷工況的定義 444
12.3.7 定義作業參數并提交運行 445
12.4 銅盤管退火溫度場模擬結果分析 446
12.4.1 銅盤管退火溫度場云圖 446
12.4.2 銅盤管熱點與冷點溫度演變歷史 449
12.4.3 銅盤管徑向和軸向溫度分布 450
12.4.4 分析與討論 453
12.5 小結 454
第13章 管道對接焊有限元模擬 455
13.1 引言 455
13.2 熱－力耦合有限元法 455
13.2.1 熱傳導問題的控制方程 455
13.2.2 熱傳導問題的有限元描述 456
13.2.3 熱應力問題的有限元描述 457
13.3 管道焊接模擬前處理 458
13.3.1 網格劃分 459
13.3.2 定義幾何屬性 467
13.3.3 定義材料屬性 467
13.3.4 設置焊接路徑和填充焊料 469
13.3.5 添加邊界條件和初始條件 472
13.3.6 定義工況 478
13.3.7 定義作業參數 480
13.4 后處理結果分析 482
13.4.1 焊接溫度場分析 482
13.4.2 管道焊接殘余應力 486
13.4.3 管道焊后變形分析 489
13.5 小結 490
參考文獻 491

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5. 基于ANSYS的復合材料有限元分析和應用（第二版） [李占營 張承承 李成良 編著]
6. 大學計算機基礎教程（Windows 10+Office 2016） [主編 饒拱維 郭其標 房宜汕]
7. Altium Designer 20 電路設計案例教程 [主編 王靜 謝蓉]
8. 計算機應用基礎（Windows 10+Office 2016） [主編 陽曉霞 譚衛]
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10. Office 2010辦公自動化高級應用實例教程（第二版） [主編 謝海燕 吳紅梅 陳永梅]
11. Office高級應用項目式教程 [主編 李觀金 林龍健 王靜]
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13. 計算機應用技能教程——全國計算機等級考試一級MS Office 2010 [主編 石鐵峰 王祖偉 宋家慧]
14. 計算機應用基礎教程（第三版）（Windows 7+Office 2010） [主編 聶長浪 賀秋芳 李久仲]
15. Office 2016辦公自動化案例教程 [主編 林灃 鐘明]
16. 辦公軟件高級應用 [主 編 闕清賢 黃詮]
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18. MSC Nastran動力分析指南（第二版） [李保國 黃曉銘 裴延軍 李偉 ]
19. 計算機應用基礎情景化教程（Windows 7+Office 2010）（第二版） [主編 王宏斌 張尼奇 王鋒]
20. 計算機一級MS Office全真模擬手冊（第二版） [主編 張建軍 李瑛 王鋒]
21. 計算機應用基礎（Windows 7+Office 2010） [主編 張曉琪 唐天國]
22. 計算機應用基礎實訓與習題指導（Windows 7+Office 2010） [主編 唐天國 曾慶勇]
23. 機械工程材料 [主編 王海靜 楊新蓮 王婕]
24. Altium Designer 17電路設計案例教程 [主編 王靜]
25. ANSYS AQWA軟件入門與提高 [主編 高巍]
26. MSC Adams 多體動力學仿真基礎與實例解析（第二版） [湯滌軍 張躍 編著]
27. ANSYS APDL參數化有限元分析技術及其應用實例（第二版） [李占營 闞川 等編著]
28. 基于ANSYS的復合材料有限元分析和應用 [李占營 闞川 張承承 編著]
29. 計算機導論（基于Windows 7+Office 2010）（第二版） [主編 柳青]
30. 全國計算機等級考試一級MS Office教程及實訓指導 [主編 張心越 劉玉芳 邢怡]