CN105069201B - 一种自定义应力函数的求解和可视化显示方法 - Google Patents
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Abstract
一种自定义应力函数的求解和可视化显示方法，属于有限元数值模拟机械强度分析技术领域。本发明针对通用有限元软件对构件在不同工况条件下的应力状态进行特定理论要求的综合分析时可能会遇到的困难，其特征是：基于MSC.Marc/Mentat 2005软件对不同工况条件下构件的有限元应力分析结果，通过提取各工况条件下单元积分点的应力分量数据，在通用有限元软件之外设置并计算求解自定义应力函数数据，并通过数据替换的手段实现自定义应力函数数据在MSC.Marc/Mentat 2005有限元模型上的可视化显示。本发明的优点及积极效果在于实现方法简单易行，适用范围广，可避开专业软件或二次开发的使用局限。
Description
技术领域
本发明属于有限元数值模拟机械强度分析领域，具体涉及一种自定义应力函数的求解和可视化显示方法。
技术背景
有限元法是一种利用数学近似的方法对真实物理系统进行虚拟仿真的数值模拟技术，可分析构件在外负载状态下的应力、应变和位移等场量信息。MSC.Marc/Mentat 2005是国际著名的通用有限元分析软件，其中，MSC.Marc 2005是有限元分析模块，MSC.Mentat2005是可视化的前后处理图形交互对话界面，其后处理可方便地以等值线、云图等方式显示构件的有限元分析结果。
在机械强度分析领域，采用有限元法来计算构件在确定工况条件下的应力状态已经被广泛应用，大多数通用有限元软件都可以实现该功能。但很多时候，设计者不但需要关注构件在某一确定工况条件下的应力状态，还需要根据特定的理论要求对构件在不同工况条件下的应力状态进行综合分析并将结果可视化显示，而这种综合分析以及可视化显示往往超出了通用有限元软件本身的功能，因此只能选用专业软件或对通用有限元软件进行二次开发。由于专业软件的发展始终落后于相关理论的发展，而且对通用有限元软件进行二次开发对操作者要求较高，所以这种根据特定的理论要求对构件在不同工况条件下的应力状态进行综合分析以及可视化显示的技术需求往往无法及时得到相应的技术支持，给工作带来了很多困难。
发明内容
本发明的目的在于利用通用有限元分析软件MSC.Marc/Mentat 2005，提供一种自定义应力函数的求解和可视化显示方法，来实现这种根据特定的理论要求对构件在不同工况条件下的应力状态进行综合分析并将结果可视化显示的功能，解决当前存在的一些技术困难。
本发明是通过以下技术方案实现的，其特征是：在计算机上基于MSC.Marc/Mentat2005软件实现，其实施步骤是：
(1)在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的PREPROCESSING下完成以下操作：(1-1)在MESH GENERATION菜单下，设定COORDINATE SYSTEM选项为RECTANGULAR，并建立所要分析构件的合格的三维全六面体网格模型；点击ELEMENT TYPES->MECHANICAL->3-DSOLID->7->OK，并选择所有单元，将所有单元的类型指定为8节点六面体单元,连续两次点击RETURN返回到MESH GENERATION菜单下；点击SWEEP命令，进入SWEEP菜单，在SWEEP下点击ALL，在REMOVE UNUSED下点击NODES和POINTS，点击RETURN返回MESH GENERATION菜单下；点击RENUMBER->ALL；点击MAIN回到MAIN MENU界面；(1-2)在GEOMETRIC PROPERTIES菜单下，点击NEW，新建NAME名为geom1的几何特性，并通过以下操作定义NAME名为geom1的几何特性：在MECHANICAL ELEMENTS下点击3-D->SOLID->ASSUMED STRAIN->OK；将NAME名为geom1的几何特性施加到所有单元；点击MAIN回到MAIN MENU界面；(1-3)在MATERIAL PROPERTIES菜单下，点击NEW，新建NAME名为material1的材料特性，并通过以下操作定义NAME名为material1的材料特性：在MECHANICAL MATERIAL TYPES下点击ISOTROPIC，在相应ISOTROPIC PROPERTIES菜单下填写所需的相关材料特性的数值，点击OK确认；将NAME名为material1的材料特性应用到所有单元；点击MAIN回到MAIN MENU界面；(1-4)在BOUNDARYCONDITIONS菜单下，在BOUNDARY CONDITION CLASS下选中MECHANICAL，针对工况条件1、工况条件2……直至工况条件N下的每一个约束条件和每一个载荷，分别新建不同的边界条件并分别命名，并加载到相应点、线、面、节点、单元、单元边以及单元面上，N为所有工况条件的数量，且N为正整数，设置完毕后点击MAIN回到MAIN MENU界面；
(2)在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的ANALYSIS下完成以下操作：(2-1)在JOBS菜单下，通过以下操作设置工况条件1对应的job1并提交有限元计算：点击NEW，新建NAME名为job1，在ANALYSIS CLASS下选中MECHANICAL，在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下选中INITIAL LOADS，在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下选中工况条件1下的所有约束条件以及所有载荷对应的边界条件名，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下点击JOB RESULTS进入JOB RESULTS菜单，在POSTFILE下选定文件输出格式为ASCII，在AVAILABLE ELEMENT TENSORS下仅选中Stress，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单的ANALYSIS DIMENSION下选中3-D并点击OK，返回到JOBS菜单下；点击CHECK检查有限元模型，并按照提示修改有限元模型，确认无误后点击RUN，在RUN JOB菜单下点击SUBMIT(1)，提交有限元分析计算；当EXITNUMBER显示为3004时有限元分析计算结束，所分析计算的结果会自动存入文件名为case_job1.t19的有限元计算结果文件中，点击OK返回JOBS菜单；(2-2)类比上述步骤(2-1)，在JOBS菜单下，分别设置工况条件2、工况条件3……直至工况条件N对应的job2、job3……直至jobN并提交有限元计算，注意对应的NAME名分别为job2、job3……直至jobN，对应的在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下分别选中工况条件2、工况条件3……直至工况条件N下的所有约束条件以及所有载荷对应的边界条件名，对应的分析计算的结果会自动存入文件名为case_job2.t19、case_job3.t19……直至case_jobN.t19的有限元计算结果文件中；(2-3)在JOBS菜单下，通过以下操作设置一个特定工况条件的job并提交有限元分析：点击NEW，修改NAME项为job，在ANALYSIS CLASS下选中MECHANICAL，在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下选中INITIAL LOADS，在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下仅选中任一工况条件下的所有约束条件(不包括载荷)对应的边界条件名，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下点击JOBRESULTS进入JOB RESULTS菜单，在POST FILE下选定文件输出格式为ASCII，在AVAILABLEELEMENT SCALARS下通过选中User Defined Var#1(User Sub PLOTV)、User Defined Var#2(User Sub PLOTV)……直到User Defined Var#M(User Sub PLOTV)来定义M个自定义输出量，M为按照所需的理论要求设置综合分析所需要的自定义应力函数的个数，M为正整数，设置完毕后点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下的ANALYSIS DIMENSION下选中3-D并点击OK，返回到JOBS菜单下；点击CHECK检查有限元模型，并按照提示修改有限元模型，确认无误后点击RUN，在RUN JOB菜单下点击SUBMIT(1)，提交有限元分析计算，当EXIT NUMBER显示为3004时有限元分析计算结束，所分析计算的结果会自动存入case_job.t19的有限元计算结果文件中，点击OK返回JOBS菜单；(2-4)点击MAIN回到MAIN MENU界面，点击FILES进入FILE I/O菜单，在MODEL下保存文件名为case.mud；
(3)以记事本格式打开上述后缀名为“.t19”的所有有限元计算结果文件，每个文件中均可找到关键字A和后面与之最接近的关键字B，所述关键字A为“＝beg＝52300(Element Integration Point Values)”，所述关键字B为“＝end＝”；在case_job1.t19、case_job2.t19……直至case_jobN.t19的有限元分析计算结果文件中的所述关键字A和后面与之最接近的所述关键字B之间的数据为相应工况条件下按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的六个应力分量的数据，所述六个应力分量的存放顺序为：σx σy σz τxyτyz τzx；在case_job.t19的有限元分析计算结果文件中的所述关键字A和后面与之最接近的所述关键字B之间的数据为所述特定工况条件下按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的所述M个自定义输出量的数据，所述M个自定义输出量的数据的存放顺序为：User Defined Var#1(User Sub PLOTV)、User Defined Var#2(User Sub PLOTV)……直到User Defined Var#M(User Sub PLOTV)；
(4)按照所需的理论要求设置综合分析所需要的M个自定义应力函数，所述M个自定义应力函数均是所述工况条件1、工况条件2……直至工况条件N下的所有单元8个积分点的六个应力分量的函数；利用所述工况条件1、工况条件2……直至工况条件N下所有单元8个积分点的六个应力分量数据在MSC.Marc/Mentat 2005软件之外进行计算求解，确定并按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的M个自定义应力函数的数据，所述M个自定义应力函数的数据格式以及存放格式要求与所述M个自定义输出量的数据格式以及存放格式完全相同，所述M个自定义应力函数的数据的存放顺序可自行拟定，并以记事本文件格式保存为shuju.txt；
(5)以记事本格式打开文件名为case_job.t19的有限元分析计算结果文件，找到所述特定工况条件下按照单元编号顺序依次存放的所有单元8个积分点的所述M个自定义输出量的数据，并用shuju.txt中按照单元编号顺序依次存放的所有单元8个积分点的所述M个自定义应力函数的数据替换，另存case_job.t19为case_zong.t19；
(6)在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的POSTPROCESSING下完成以下步骤：点击RESULTS，在POST FILE下点击OPEN打开case_zong.t19文件，在SCALAR PLOT下点击SCALAR，在SELECT POST SCALAR下选中User Defined Variable 1直到User DefinedVariable M中的第J项，J为正整数且1≤J≤M，通过选择SCALAR PLOT下的CONTOUR BANDS或CONTOUR LINES选项可以在RESULTS图形界面中所述构件的三维六面体单元模型上以云图或等值线的可视化方式显示第J个自定义应力函数的数据。
本发明的优点及积极效果是：
(1)本发明可利用MSC.Marc/Mentat 2005软件平台，提供一种简单易用的方法，使得在MSC.Marc/Mentat 2005软件之外经运算后的自定义应力函数数据再返回到MSC.Mentat 2005后处理界面中以云图、等值线等可视化方式显示。
(2)本发明所述的自定义应力函数可根据需求任意设置，克服了许多专业商品软件应用局限的缺点。
(3)本发明无须对MSC.Marc/Mentat 2005软件作只有专业人士才能完成的程序二次开发工作，即可实现某些特定功能，简便易用。
(4)本发明是在MSC.Marc/Mentat 2005软件平台上，将积分点的应力数据按照相关理论要求进行分析计算，再通过MSC.Mentat 2005后处理程序自动插入到节点上的。根据有限元理论分析可知，相对于节点处应力而言，积分点处的应力更精确，所以采用积分点的应力内插或外延确定节点应力结果更为准确。
(5)因有限元应力分析时已经建立了相应的有限元单元模型，这样只要把相应数据导入即可轻松获得所需的可视化显示效果。
(6)可采用程序设计的方法或使用通用函数计算软件提高积分点自定义应力函数的计算效率。
附图说明
图1为异形截面悬臂梁在工况条件1下的受力状态示意图；
图2为图1的右视图；
图3异形截面悬臂梁在工况条件2下的受力状态示意图；
图4为图3的右视图；
图5为异形截面悬臂梁合格的三维全六面体网格模型；
图6为加载了所有约束条件和所有载荷的异形截面悬臂梁的有限元模型；
图7为case_job1.t19以记事本格式打开的部分数据界面；
图8为case_job2.t19以记事本格式打开的部分数据界面；
图9为case_job.t19以记事本格式打开的部分数据界面；
图10为shuju.txt以记事本格式打开的部分数据界面；
图11为case_zong.t19以记事本格式打开的部分数据界面；
因数据量非常大，为完整表达数据的结构，图7至图11中均采用三行省略号来代替部分省略掉的数据；
图12为综合等效应力的云图显示；
图13为综合强度安全系数的云图显示；
图14为综合等效应力的等值线显示；
图15为综合强度安全系数的等值线显示；
图中：
A——关键字“＝beg＝52300(Element Integration Point Values)”；
B——关键字“＝end＝”；
C1——工况条件1和工况条件2下的位移边界条件；
D1——工况条件1对应的有限元计算结果文件中第一个单元第1个积分点的六个应力分量数据；
D2——工况条件2对应的有限元计算结果文件中第一个单元第1个积分点的六个应力分量数据；
D3——特定工况条件下对应的有限元计算结果文件中第一个单元第1个积分点的两个自定义输出量的数据；
D4——按照特定的理论要求计算获得到的第一个单元第1个积分点的两个用户自定义应力函数的数据，按照D3的数据格式以及存放格式排列；
D5——按照要求替换后case_zong.t19中的第一个单元第1个积分点的两个自定义应力函数的数据；
E1——工况条件1对应的有限元计算结果文件中按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的六个应力分量的数据；
E2——工况条件2对应的有限元计算结果文件中按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的六个应力分量的数据；
E3——特定工况条件下对应的有限元计算结果文件中按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的两个自定义输出量的数据；
E4——按照特定的理论要求计算获得到的按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的两个自定义应力函数的数据，按照E3的数据格式以及存放格式排列；
E5——按照要求替换后case_zong.t19中的按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的两个自定义应力分量数据；
F1——工况条件1的载荷；
F2——工况条件2的载荷；
具体实施方式
为详细说明本发明的特点所在，兹以一较佳实施例并配合附图说明。图1和图2表达了异形截面悬臂梁在工况条件1下的受力状态示意图，图3和图4表达了异形截面悬臂梁在工况条件2下的受力状态示意图，所示异形截面悬臂梁为同一构件，形状尺寸如图示(单位：mm)，材质为45钢,材料弹性模量为2.1*105MPa，屈服强度σs＝360MPa，泊松比为0.3。工况条件1：一端固定，另一端承受载荷F1；工况条件2：与工况条件1类似，一端固定，另一端承受载荷F2；特定的理论要求如下：首先采用传统等效应力理论分别分析该异形截面悬臂梁各点在工况条件1和工况条件2下的等效应力，然后作综合分析：比较该异形截面悬臂梁各点在所述两种工况条件下的等效应力，取较大值定义为该点的综合等效应力同时定义该点的综合强度安全系数并且以云图或等值线等可视化方式显示悬臂梁各点的综合等效应力以及综合安全系数n综。显然这种综合分析已经超出了通用有限元软件本身的功能，而现阶段又没有相应的专业软件可供选用，对通用有限元软件进行相应的二次开发因对操作者要求较高也不容易实现，所以这种根据特定的理论要求对构件在不同工况条件下的应力状态进行综合分析以及可视化显示的的技术需求往往无法及时得到相应的技术支持，给工作带来了很多困难。
本发明可利用通用有限元分析软件MSC.Marc/Mentat 2005，提供一种自定义应力函数的求解和可视化显示方法，来实现这种根据特定的理论要求对构件在不同工况条件下的应力状态进行综合分析并将结果可视化显示的功能，解决当前存在的一些技术困难。。
为便于表述，实施例中的有限元网格较大，实际应用时应根据需要细分。本发明是一种自定义应力函数的求解和可视化显示方法，在计算机上基于MSC.Marc/Mentat 2005软件实现的，其过程是这样的：
(1)在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的PREPROCESSING下完成以下操作：(1-1)在MESH GENERATION菜单下，设定COORDINATE SYSTEM选项为RECTANGULAR，并建立所要分析异形截面悬臂梁的合格的三维全六面体网格模型，如图5所示；点击ELEMENTTYPES->MECHANICAL->3-D SOLID->7->OK，并选择所有单元，将所有单元的类型指定为8节点六面体单元，连续两次点击RETURN返回到MESH GENERATION菜单下；点击SWEEP命令，进入SWEEP菜单，在SWEEP下点击ALL，在REMOVE UNUSED下点击NODES和POINTS，点击RETURN返回MESH GENERATION菜单；点击RENUMBER->ALL；点击MAIN回到MAIN MENU界面；(1-2)在GEOMETRIC PROPERTIES菜单下，点击NEW，新建NAME名为geom1的几何特性，并通过以下操作定义NAME名为geom1的几何特性：在MECHANICAL ELEMENTS下点击3-D->SOLID->ASSUMEDSTRAIN->OK；将NAME名为geom1的几何特性施加到所有单元；点击MAIN回到MAIN MENU界面；(1-3)在MATERIAL PROPERTIES菜单下，点击NEW，新建NAME名为material1的材料特性，并通过以下操作定义NAME名为material1的材料特性：在MECHANICAL MATERIAL TYPES下点击ISOTROPIC，在相应ISOTROPIC PROPERTIES菜单中填写YOUNG’S MODULUS和POISSON’SRATIO的数值分别为2.1*105和0.3后点击OK确认，将NAME名为material1的材料特性应用到所有单元；点击MAIN回到MAIN MENU界面；(1-4)在BOUNDARY CONDITIONS菜单下，在BOUNDARY CONDITION CLASS下选择MECHANICAL，首先定义工况条件1对应的所有约束条件以及所有载荷到相应元素上：点击NEW，新建边界条件并修改NAME名为CONS1-1，并设置构件工况条件1下的约束条件C1到相应节点上；点击NEW，新建边界条件并修改NAME名为LOAD1-1，并设置构件工况条件1下的载荷F1到相应节点上；再定义工况条件2对应的所有约束条件以及所有载荷到相应元素上：因工况条件2和工况条件1的约束条件相同，故此例中不再重复定义工况条件2的约束条件，而以约束条件C1替代；点击NEW，新建边界条件并修改NAME名为LOAD2-1，并设置构件工况条件2下的载荷F2到相应节点上，所定义的边界条件C1和载荷F1、F2如图6所示，所对应的边界条件名分别为CONS1-1、LOAD1-1和LOAD2-1，设置完毕后点击MAIN回到MAIN MENU界面；
(2)在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的ANALYSIS下完成以下操作：(2-1)在JOBS菜单下，通过以下操作设置工况条件1对应的job1并提交有限元计算：点击NEW，新建NAME名为job1，在ANALYSIS CLASS下选择MECHANICAL，在MECHANICAL ANALYSIS CLASS下选中INITIAL LOADS，在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下选中工况条件1下的约束条件C1以及载荷F1对应的边界条件名CONS1-1和LOAD1-1，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下点击JOB RESULTS进入JOB RESULTS菜单，在POST FILE下选定文件输出格式为ASCII，在AVAILABLE ELEMENT TENSORS下仅选中Stress，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单的ANALYSISDIMENSION下选中3-D并点击OK，返回到JOBS菜单下；点击CHECK检查有限元模型，并按照提示修改有限元模型，确认无误后点击RUN，在RUN JOB菜单下点击SUBMIT(1)，提交有限元分析计算；当EXIT NUMBER显示为3004时有限元分析计算结束，所分析计算的结果会自动存入文件名为case_job1.t19的有限元计算结果文件中，点击OK返回JOBS菜单；(2-2)类比上述步骤(2-1)，在JOBS菜单下，设置工况条件2对应的job2并提交有限元计算，注意对应的NAME名为job2，对应的在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下分别选中工况条件2下的约束条件C1以及载荷F2对应的边界条件名CONS1-1和LOAD2-1，对应的分析计算的结果会自动存入文件名为case_job2.t19的有限元计算结果文件中；(2-3)在JOBS菜单下，通过以下操作设置一个特定工况条件的job并提交有限元分析：点击NEW，修改NAME项为job，在ANALYSIS CLASS下选中MECHANICAL，在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下选中INITIAL LOADS，在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下仅选中工况条件1下的约束条件C1对应的边界条件NAME名CONS1-1，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下点击JOB RESULTS进入JOB RESULTS菜单，在POST FILE下选定文件输出格式为ASCII，在AVAILABLE ELEMENT SCALARS下依次选中User DefinedVar#1(User Sub PLOTV)、User Defined Var#2(User Sub PLOTV)……直到User DefinedVar#M(User Sub PLOTV)定义M个自定义输出量，M为按照特定的理论要求设置综合分析所需要的自定义应力函数的个数，M为正整数，在本实施例中M的取值为2；设置完毕后点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下的ANALYSIS DIMENSION下选中3-D并点击OK，返回到JOBS菜单下；点击CHECK检查有限元模型，并按照提示修改有限元模型，确认无误后点击RUN，在RUN JOB菜单下点击SUBMIT(1)，提交有限元分析计算，当EXITNUMBER显示为3004时有限元分析计算结束，所分析计算的结果会自动存入case_job.t19的有限元计算结果文件中，点击OK返回JOBS菜单；(2-4)点击MAIN回到MAIN MENU界面，点击FILES进入FILE I/O菜单，在MODEL下保存文件名为case.mud；
(3)以记事本格式打开上述后缀名为“.t19”的所有有限元计算结果文件，每个文件中均可找到关键字A和后面与之最接近的关键字B，所述关键字A为“＝beg＝52300(Element Integration Point Values)”，所述关键字B为“＝end＝”；在case_job1.t19、case_job2.t19的有限元分析计算结果文件中的所述关键字A和后面与之最接近的所述关键字B之间的数据分别为工况条件1和工况条件2下按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的六个应力分量的数据，六个应力分量的存放顺序为：σx σy σz τxy τyz τzx，图7和图8分别是case_job1.t19和case_job2.t19以记事本格式打开的部分数据界面，图中所示的数据D1和D2分别为工况条件1和工况条件2对应的有限元计算结果文件中第一个单元第1个积分点的六个应力分量数据，E1和E2分别为工况条件1和工况条件2对应的有限元计算结果文件中按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的六个应力分量的数据；在case_job.t19的有限元分析计算结果文件中的所述关键字A和后面与之最接近的所述关键字B之间的数据为特定工况条件对应的有限元计算结果文件中按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的所述M个自定义输出量的数据，所述M个自定义输出量的数据的存放顺序为：User Defined Var#1(User Sub PLOTV)、User Defined Var#2(User Sub PLOTV)……直到User Defined Var#M(User Sub PLOTV)，在本实施例中M的取值为2，图9是是case_job.t19以记事本格式打开的部分数据界面，图中所示数据D3为特定工况条件下对应的有限元计算结果文件中第一个单元第1个积分点的两个自定义输出量的数据，E3为特定工况条件下对应的有限元计算结果文件中按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的所述两个自定义输出量的数据；
(4)按照本实施例中特定的理论要求设置综合分析所需要的两个自定义应力函数：综合等效应力和综合强度安全系数所述两个自定义应力函数是所述的工况条件1、工况条件2下的所有单元积分点的六个应力分量的函数；
综合等效应力利用所述的两种工况条件对应的有限元计算结果文件中按单元编号顺序依次存放的所有单元8个积分点的六个应力分量的数据E1和E2；按照传统等效应力理论分别计算所述两种工况条件下的所有单元8个积分点的等效应力然后针对所有单元每个积分点在两种工况下等效应力数值两两比较，将较大值确定为该单元积分点的综合等效应力的数值；
综合强度安全系数将上述计算得到的每个单元积分点的综合等效应力的数值代入该公式计算得到每一个单元积分点的综合强度安全系数数值；
下面以第一个单元的第1个积分点为例简要介绍其两个自定义应力函数的计算过程：
如图7、图8中所示：
对于工况条件1，第一个单元的第1个积分点的六个应力分量数据D1为：
σx＝-0.377179E+01 σy＝0.127512E+01 σz＝0.178346E+00
τxy＝0.660034E-01 τyz＝0.390010E+00 τzx＝-0.386632E+01
按照传统等效应力理论经计算得该单元积分点在工况条件1下的等效应力为：
对于工况条件2，第一个单元的第1个积分点的六个应力分量数据D2为：
σx＝0.574134E+01 σy＝-0.912928E+00 σz＝-0.188179E+00
τxy＝-0.148593E+00 τyz＝-0.592392E+00 τzx＝0.589501E+01
按照传统等效应力理论经计算得该单元积分点在工况条件2下的等效应力为：
因为0.120563E+02>0.815191E+01，所以第一个单元的第1个积分点的综合等效应力相应它的综合强度安全系数
同理计算并确定第一个单元其余7个积分点的两个自定义应力函数数据，以此类推计算并确定其余所有单元8个积分点的两个自定义应力函数的数据，按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的两个自定义应力函数的数据，所述两个自定义应力函数的数据格式与存放格式与所述两个自定义输出量E3的数据格式与存放格式完全相同，所述两个自定义应力函数的数据的存放顺序依次为综合等效应力和综合强度安全系数，并以“记事本”格式保存为shuju.txt，如图10所示，图中D4所示的数据为第一个单元的第1个积分点的两个自定义应力函数的数据，其存放顺序依次为综合等效应力和综合强度安全系数；E4所示的数据为按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的所述两个自定义应力函数的数据，其存放顺序依次为综合等效应力和综合强度安全系数；
(5)以记事本格式打开文件名为case_job.t19的有限元分析计算结果文件，找到按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的所述两个自定义输出量的数据E3，并用shuju.txt中按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的所述两个自定义应力函数的数据E4替换，另存case_job.t19为case_zong.t19，如图11所示，case_zong.t19中所示的数据D5和E5分别对应shuju.txt中的数据D4和E4；
(6)在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的POSTPROCESSING下完成以下操作：点击RESULTS，在POST FILE下点击OPEN打开case_zong.t19文件，在SCALAR PLOT下点击SCALAR，在SELECT POST SCALAR下选中User Defined Variable 1或User DefinedVariable 2，通过选择SCALAR PLOT下的CONTOUR BANDS、CONTOUR LINES等相应选项可以在RESULTS图形界面中所述异形截面悬臂梁的三维六面体单元模型上以云图、等值线等可视化方式显示两个自定义应力函数综合等效应力或综合强度安全系数的相应数据，，图12和图13分别是按云图方式表达的综合等效应力和综合强度安全系数，图14和图15分别是按等值线方式表达的综合等效应力和综合强度安全系数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种自定义应力函数的求解和可视化显示方法，其特征是：在计算机上基于MSC.Marc/Mentat 2005软件实现，其实施步骤是：
（1）在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的PREPROCESSING下完成以下操作：（1-1）在MESH GENERATION菜单下，设定COORDINATE SYSTEM选项为RECTANGULAR，并建立所要分析构件的合格的三维全六面体网格模型；点击ELEMENT TYPES->MECHANICAL->3-DSOLID->7->OK，并选择所有单元，将所有单元的类型指定为8节点六面体单元,连续两次点击RETURN返回到MESH GENERATION菜单下；点击SWEEP命令，进入SWEEP菜单，在SWEEP下点击ALL，在REMOVE UNUSED下点击NODES和POINTS，点击RETURN返回MESH GENERATION菜单下；点击RENUMBER->ALL；点击MAIN回到MAIN MENU界面；（1-2）在GEOMETRIC PROPERTIES菜单下，点击NEW，新建NAME名为geom1的几何特性，并通过以下操作定义NAME名为geom1的几何特性：在MECHANICAL ELEMENTS下点击3-D->SOLID->ASSUMED STRAIN->OK；将NAME名为geom1的几何特性施加到所有单元；点击MAIN回到MAIN MENU界面；（1-3）在MATERIAL PROPERTIES菜单下，点击NEW，新建NAME名为material1的材料特性，并通过以下操作定义NAME名为material1的材料特性：在MECHANICAL MATERIAL TYPES下点击ISOTROPIC，在相应ISOTROPIC PROPERTIES菜单下填写所需的相关材料特性的数值，点击OK确认；将NAME名为material1的材料特性应用到所有单元；点击MAIN回到MAIN MENU界面；（1-4）在BOUNDARYCONDITIONS菜单下，在BOUNDARY CONDITION CLASS下选中MECHANICAL，针对工况条件1、工况条件2……直至工况条件N下的每一个约束条件和每一个载荷，分别新建不同的边界条件并分别命名，并加载到相应点、线、面、节点、单元、单元边以及单元面上，N为所有工况条件的数量，且N为正整数，设置完毕后点击MAIN回到MAIN MENU界面；
（2）在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的ANALYSIS下完成以下操作：（2-1）在JOBS菜单下，通过以下操作设置工况条件1对应的job1并提交有限元计算：点击NEW，新建NAME名为job1，在ANALYSIS CLASS下选中MECHANICAL，在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下选中INITIAL LOADS，在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下选中工况条件1下的所有约束条件以及所有载荷对应的边界条件名，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下点击JOB RESULTS进入JOB RESULTS菜单，在POSTFILE下选定文件输出格式为ASCII，在AVAILABLE ELEMENT TENSORS下仅选中Stress，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单的ANALYSIS DIMENSION下选中3-D并点击OK，返回到JOBS菜单下；点击CHECK检查有限元模型，并按照提示修改有限元模型，确认无误后点击RUN，在RUN JOB菜单下点击SUBMIT（1），提交有限元分析计算；当EXITNUMBER显示为3004时有限元分析计算结束，所分析计算的结果会自动存入文件名为case_job1.t19的有限元计算结果文件中，点击OK返回JOBS菜单；（2-2）类比上述步骤（2-1），在JOBS菜单下，分别设置工况条件2、工况条件3……直至工况条件N对应的job2、job3……直至jobN并提交有限元计算，注意对应的NAME名分别为job2、job3……直至jobN，对应的在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下分别选中工况条件2、工况条件3……直至工况条件N下的所有约束条件以及所有载荷对应的边界条件名，对应的分析计算的结果会自动存入文件名为case_job2.t19、case_job3.t19……直至case_jobN.t19的有限元计算结果文件中；（2-3）在JOBS菜单下，通过以下操作设置一个特定工况条件的job并提交有限元分析：点击NEW，修改NAME项为job，在ANALYSIS CLASS下选中MECHANICAL，在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下选中INITIAL LOADS，在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下仅选中任一工况条件下的所有约束条件对应的边界条件名，不包括载荷，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下点击JOBRESULTS进入JOB RESULTS菜单，在POST FILE下选定文件输出格式为ASCII，在AVAILABLEELEMENT SCALARS下通过选中User Defined Var # 1（User Sub PLOTV）、User DefinedVar # 2（User Sub PLOTV）……直到User Defined Var # M（User Sub PLOTV）来定义M个自定义输出量，M为按照所需的理论要求设置综合分析所需要的自定义应力函数的个数，M为正整数，设置完毕后点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下的ANALYSIS DIMENSION下选中3-D并点击OK，返回到JOBS菜单下；点击CHECK检查有限元模型，并按照提示修改有限元模型，确认无误后点击RUN，在RUN JOB菜单下点击SUBMIT（1），提交有限元分析计算，当EXIT NUMBER显示为3004时有限元分析计算结束，所分析计算的结果会自动存入case_job.t19的有限元计算结果文件中，点击OK返回JOBS菜单；（2-4）点击MAIN回到MAIN MENU界面，点击FILES进入FILE I/O菜单，在MODEL下保存文件名为case.mud；
（3）以记事本格式打开上述后缀名为“.t19”的所有有限元计算结果文件，每个文件中
均可找到关键字A和后面与之最接近的关键字B，所述关键字A为“=beg=52300 (Element
Integration Point Values)”，所述关键字B为“=end=”；在case_job1.t19、case_
job2.t19……直至case_jobN.t19的有限元分析计算结果文件中的所述关键字A和后面与
之最接近的所述关键字B之间的数据为相应工况条件下按照单元编号顺序依次存放所有单
元8个积分点的六个应力分量的数据，所述六个应力分量的存放顺序为：；
在case_job.t19的有限元分析计算结果文件中的所述关键字A和后面与之最接近的所述关
键字B之间的数据为所述特定工况条件下按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点
的所述M个自定义输出量的数据，所述M个自定义输出量的数据的存放顺序为：User
Defined Var # 1（User Sub PLOTV）、User Defined Var # 2（User Sub PLOTV）……直到
User Defined Var # M（User Sub PLOTV）；
（4）按照所需的理论要求设置综合分析所需要的M个自定义应力函数，所述M个自定义应力函数均是所述工况条件1、工况条件2……直至工况条件N下的所有单元8个积分点的六个应力分量的函数；利用所述工况条件1、工况条件2……直至工况条件N下所有单元8个积分点的六个应力分量数据在MSC.Marc/Mentat 2005软件之外进行计算求解，确定并按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的M个自定义应力函数的数据，所述M个自定义应力函数的数据格式以及存放格式要求与所述M个自定义输出量的数据格式以及存放格式完全相同，所述M个自定义应力函数的数据的存放顺序可自行拟定，并以记事本文件格式保存为shuju.txt；
（5）以记事本格式打开文件名为case_job.t19的有限元分析计算结果文件，找到所述特定工况条件下按照单元编号顺序依次存放的所有单元8个积分点的所述M个自定义输出量的数据，并用shuju.txt中按照单元编号顺序依次存放的所有单元8个积分点的所述M个自定义应力函数的数据替换，另存case_job.t19为case_zong.t19；
（6）在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的POSTPROCESSING下完成以下步骤：点击RESULTS，在POST FILE下点击OPEN打开case_zong.t19文件，在SCALAR PLOT下点击SCALAR，在SELECT POST SCALAR下选中User Defined Variable 1直到User DefinedVariable M中的第J项，J为正整数且1≤J≤M，通过选择SCALAR PLOT下的CONTOUR BANDS或CONTOUR LINES选项可以在RESULTS图形界面中所述构件的三维六面体单元模型上以云图或等值线的可视化方式显示第J个自定义应力函数的数据。
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| MARC培训手册;saintfyg;《百度文库https://wenku.baidu.com/view/2c38956c561252d380eb6ed2.html》;20120419;全文 * |
| 全自动液压压砖机机架有限元分析及实验研究;陈罗;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20110315(第03期);全文 * |
| 锚固法兰结构设计与有限元分析;田继红等;《大型铸锻件》;20090331(第2期);全文 * |
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