前言

作為材料加工領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，激光焊接是一個(gè)涉及多學(xué)科、多物理場(chǎng)的復(fù)雜過(guò)程。雖然焊接科研工作者借助現(xiàn)代分析測(cè)試手段對(duì)激光焊接過(guò)程有了一定的認(rèn)識(shí)，但是仍然存在大量的未知現(xiàn)象有待進(jìn)一步厘清和探索。近年來(lái)，隨著數(shù)值模擬技術(shù)與軟件工程的發(fā)展，越來(lái)越多的通用商業(yè)有限元模擬軟件在焊接領(lǐng)域得到了應(yīng)用。MSC.Marc是國(guó)際上功能最強(qiáng)大的大型有限元軟件之一，其基于位移法的有限元程序在非線性方面具有強(qiáng)大的功能。其擁有能夠真實(shí)反映材料加工過(guò)程的生死單元技術(shù)與本構(gòu)模型，并提供多種焊接熱源模型，能夠準(zhǔn)確靈活地對(duì)真實(shí)焊接過(guò)程中的工程應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行模擬計(jì)算。

本書(shū)針對(duì)MSC.Marc軟件的使用與操作，從有限元法的基本原理定義和發(fā)展歷史、MSC.Marc軟件的介紹以及具體工程問(wèn)題的仿真分析方法，對(duì)有限元分析基礎(chǔ)理論及軟件進(jìn)行了基礎(chǔ)入門(mén)指導(dǎo)。通過(guò)結(jié)合一系列的工程應(yīng)用案例，本書(shū)將系統(tǒng)地講解MSC.Marc在工程領(lǐng)域的數(shù)值模擬分析。本書(shū)共分為三部分，即有限元分析基礎(chǔ)理論篇、軟件基礎(chǔ)入門(mén)篇和焊接與材料加工應(yīng)用篇，共計(jì)9章內(nèi)容。

本書(shū)的內(nèi)容安排如下。

本書(shū)優(yōu)質(zhì)部分主要介紹有限元法基礎(chǔ)理論、彈性力學(xué)和熱傳導(dǎo)學(xué)基本問(wèn)題，本部分為有限元分析基礎(chǔ)理論篇，包括第1~3章。

第1章是有限元法概述，主要從有限元法的發(fā)展歷史角度切入，詳細(xì)介紹有限元的由來(lái)及其內(nèi)在含義，說(shuō)明有限元法的特有優(yōu)勢(shì)，有限元分析的一般步驟，有限元作為研究和設(shè)計(jì)工具在解決科學(xué)研究、工程計(jì)算、工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的應(yīng)用范圍以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

第2章通過(guò)基本假設(shè)、基本概念、基本方程三個(gè)方面對(duì)有限元分析中不可回避的彈性力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行處理及討論，介紹彈性力學(xué)中的能量原理和平面問(wèn)題，提出彈性理論的解題方法和基本求解步驟。這對(duì)讀者充分理解和掌握有限元分析中彈性力學(xué)及基本物理方程和一般內(nèi)在原理是非常重要的。

第3章介紹有限元分析中熱傳導(dǎo)問(wèn)題的基本方程及求解原理，讀者將從變分法和加權(quán)余量法對(duì)有限元解法原理有更好的理解。

本書(shū)第二部分主要講解MSC.Marc軟件的基本功能、特點(diǎn)和入門(mén)教程，本部分為軟件基礎(chǔ)入門(mén)篇，包括第4章和第5章。

第4章是MSC.Marc有限元分析軟件的整體介紹，軟件簡(jiǎn)介重點(diǎn)從主要模塊、安裝目錄和幫助文件三個(gè)方面說(shuō)明，核心講解MSC.Marc的主要功能分析模塊、焊接和材料加工過(guò)程中的建模分析流程與常用文件，以及軟件的接口功能。通過(guò)閱讀此部分，讀者能夠快速了解軟件的基本功能。

第5章是為滿(mǎn)足首次使用MSC.Marc的讀者了解有限元分析問(wèn)題一般處理和求解過(guò)程而編寫(xiě)的，讀者將從商業(yè)軟件對(duì)基本科學(xué)與工程問(wèn)題的基本求解過(guò)程中有所受益。更為重要的是，本章為讀者指出了MSC.Marc的前后處理功能模塊和平板對(duì)接電弧焊接熱過(guò)程逐步求解的知識(shí)。與現(xiàn)有的許多MSC.Marc有限元分析書(shū)籍相比，本書(shū)第5章是特別安排的。

本書(shū)第三部分對(duì)焊接與增材結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的焊接熱循環(huán)問(wèn)題、焊接應(yīng)力與變形分析，以及焊接工藝優(yōu)化等典型問(wèn)題的分析流程及方法進(jìn)行了介紹，內(nèi)容涉及典型結(jié)構(gòu)激光焊接過(guò)程、典型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程、典型航天結(jié)構(gòu)激光焊接過(guò)程和激光增材制造過(guò)程的建模及結(jié)果分析等。第三部分為焊接與材料加工應(yīng)用篇，包括第6~9章。

第6章介紹典型基礎(chǔ)焊接結(jié)構(gòu)的建模與仿真分析過(guò)程，囊括鋁鋰合金平板對(duì)接激光焊接過(guò)程和T型結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接過(guò)程、Invar合金激光�搽娀�復(fù)合焊接過(guò)程和多層多道MIG自動(dòng)焊接過(guò)程等簡(jiǎn)單實(shí)例的建模及求解過(guò)程。通過(guò)書(shū)中精心設(shè)計(jì)的實(shí)例，讀者將對(duì)MSC.Marc求解典型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程有更好的理解。

第7章和第8章分別介紹了典型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)和航天結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程的建模與仿真案例分析，該部分為第6章中簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的復(fù)合，通過(guò)結(jié)合大量的工程實(shí)例，對(duì)一些大型焊接結(jié)構(gòu)模擬過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法，以及焊接模擬的模型建立、問(wèn)題求解和后處理結(jié)果中需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了討論和分析，使讀者可以掌握焊接中的模擬過(guò)程，同時(shí)還可以進(jìn)行自定義材料和子程序的二次開(kāi)發(fā)。

第9章對(duì)激光增材再制造過(guò)程建模與仿真案例進(jìn)行了詳細(xì)介紹，包括激光熔化沉積、激光熔覆表面改性，以及飛機(jī)零件表面納米仿生結(jié)構(gòu)增材再制造過(guò)程的溫度場(chǎng)、應(yīng)力變形場(chǎng)建模與求解過(guò)程，通過(guò)此部分閱讀，能夠使讀者掌握激光增材制造過(guò)程模擬的基本理論和關(guān)鍵技術(shù)，并且能夠利用MSC.Marc軟件進(jìn)行相關(guān)加工過(guò)程的數(shù)值模擬研究工作。

涵蓋有限元分析方面的書(shū)籍和刊物的數(shù)量在不斷增加，作者結(jié)合工程實(shí)踐提出了更多的案例。第三部分通過(guò)一系列重要工程領(lǐng)域中的相關(guān)應(yīng)用，闡述了MSC.Marc的求解能力。本部分特別想通過(guò)某些MSC.Marc應(yīng)用案例來(lái)激發(fā)讀者的興趣。

本書(shū)由南京航空航天大學(xué)占小紅教授和�？怂箍倒�司陳火紅研究員負(fù)責(zé)編撰。占小紅教授負(fù)責(zé)全書(shū)的統(tǒng)籌，并負(fù)責(zé)第1~3章和第6~9章的撰寫(xiě)；陳火紅研究員負(fù)責(zé)第4~5章的撰寫(xiě)。本書(shū)的撰寫(xiě)還得到了南京航空航天大學(xué)高轉(zhuǎn)妮博士、趙艷秋博士、顏廷艷博士、張家豪博士以及葉澤濤、馮宇、劉婷、史博文、黎一帆、師慧姿、竇志威、呂惺玥、雷德梁等研究生的大力支持，在此表示感謝！由于作者水平有限，雖然已經(jīng)多次校對(duì)，但書(shū)中疏漏和錯(cuò)誤之處在所難免，敬請(qǐng)和廣大讀者批評(píng)指正。
作者
2024年5月