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摘 要：针对在工程中只应用某一软件完成有限元分析的过程复杂、效率不高的问题，根据UG, HyperMesh和MSC Marc软件的特点，综合运用其长处完成从几何建模、网格划分、分析计算到结果处理的整个过程. 实例表明，综合运用各有限元分析软件，有利于发挥每种软件的优点，可以大大提高有限元分析的效率.
关键词：有限元; UG; HyperMesh; MSC Marc
中图分类号：TB115；O241.82 文献标志码：A
Comprehensive application of UG, HyperMesh and MSC
Marc in finite element analysis
JIANG Xuewu, WU Xinyue, ZHU Shijian
(College of Naval Architecture & Power, Naval Univ. of Eng., Wuhan 430033, China)
Abstract： With the issues that finite element analysis using single software is complicated and low efficient, the UG, HyperMesh and MSC Marc softwares are synthetically applied in the course of modeling, plotting finite element grids, calculating and analyzing, and result dealing based on their respective characteristic. The example indicates that the comprehensive application of various finite element softwares can exert their corresponding advantages and make the analysis more efficient.
Key words： finite element; UG; HyperMesh; MSC Marc
0 引 言
有限元法［1］作为求解复杂工程问题的重要方法，应用非常广泛.近几十年来，随着计算机技术和数值分析技术的迅速发展，有限元法理论及其算法已趋于成熟.由于有限元法具有高度通用性和实用性，从而导致各类有限元通用软件的飞速发展.目前，将有限元理论、计算机图形学以及优化技术相结合而开发的各类专用有限元软件，能高速高效地解决各类有限元问题.
在工程应用中，各类专用有限元软件在几何建模、网格划分、分析计算及结果处理方面各有特色.虽然很多情况下只需某一软件就能完成整个有限元分析过程，但过程往往比较复杂、效率不高且容易出错.因此，充分发挥各软件的长处，综合运用各软件就显得尤为必要.
本文根据UG软件［2］、HyperMesh软件［3，4］和MSC Marc［5，6］软件的不同特点，在有限元几何建模、网格划分、分析计算以及结果处理过程中，扬长避短，综合运用这些软件解决工程实际问题，整个处理过程条理清楚.相对于单一软件处理，多软件综合应用能提高解决问题的效率和精度.
1 UG，HyperMesh和MSC Marc软件及其特点简介1.1 UG软件
UG软件是美国EDS公司的产品，采用基于约束的特征建模和传统几何建模为一体的复合建模技术，建模高速高效，在曲面造型方面特别强.最突出的优点就是其几何建模功能非常强大，缺点是在有限元网格划分及有限元分析计算和后处理方面较为薄弱.
1.2 HyperMesh软件
HyperMesh软件是美国Atair公司的产品，其优点有：(1） 有限元网格划分时操作简单方便，网格划分速度快；(2） 有限元网格划分时质量易于控制，便于调整和修改，划分有限元单元质量非常好，能满足实际工程分析需要；(3） 与其他多种CAD和CAE软件有良好的接口.
与UG软件相比，HyperMesh软件的建模功能较为薄弱.与MSC Marc软件相比，在有限元分析时材料类型和单元类型数量较少，求解方法难以设置，在有限元分析计算与结果处理方面的性能也有一定差距.
1.3 MSC Marc软件
MSC Marc软件为美国MSC公司的产品，该软件的优点为：(1） 具有功能齐全的多种高级非线性有限元求解器，可以处理各种线性与非线性结构分析；(2） 单元库提供数百种单元类型，包括结构单元、连续单元和特殊单元，几乎每种单元都具有处理大变形、几何非线性、材料非线性(包括接触在内的边界条件非线性)以及组合的高度非线性的超强能力，能满足绝大部分工程的实际需要；(3） 材料库内容十分丰富，具有多种线性与非线性及复杂材料模型；(4） 分析时采用具有高数值稳定性、高精度与快速收敛的高度非线性问题求解技术，并采用加载步长自适应控制技术，可自动确定非线性分析和动力响应的加载步长，从而保证计算精度.
MSC Marc的缺点是其几何建模和网格划分功能较差，且操作不方便，尤其是对于比较复杂的结构更为困难.2 UG，HyperMesh和MSC Marc在有限元分析中的综合运用有限元软件的综合运用，目的在于充分发挥各软件的长处，避免其不足，从而使软件几何建模、网格划分、分析计算及结果处理的整个过程高速高效、条理清楚、不易出错，且容易操作和修改.
根据以上对UG，HyperMesh和MSC Marc软件各自特点的分析，可以看出：先使用UG软件进行几何建模，然后利用HyperMesh进行有限元网格划分，最后采用MSC Marc进行计算分析及结果处理，可以大大提高整个分析过程的效率，其求解也能符合实际需要.
对UG，HyperMesh和MSC Marc软件综合应用的整个过程见图1.
在此过程中的准备工作主要包括：确定有限元分析对象的几何尺寸、材料特性、边界条件以及所需要分析的内容.
使用UG软件建立几何模型后，可直接保存为UG软件的默认文件类型，也可保存为“*.iges”或“*.igs”格式，以备HyperMesh使用.HyperMesh直接使用UG默认的文件类型时，需要在计算机操作系统中设置正确的环境变量.以Unigraphics NX和HyperMesh 6.0为例，其具体方法如下：首先进入“我的电脑（点击右键）→属性→高级→环境变量→系统变量”，编辑系统变量中的path项，在其中添加“%UGII-ROOT-DIR%”，注意该项与其他项之间要用“；”隔开.另外，还要检查“UGII-ROOT-DIR”项，看其路径设置是否正确.
将UG软件建立的几何模型直接导入HyperMesh的过程为：在HyperMesh操作界面中进入“files→import→GEOM（选中）→UG-NX（选中）”，然后点击“import”，并根据文件路径及其文件名选择需要导入的UG文件.“*.iges”或“*.igs”等其他格式文件导入方法和过程与此类似.
利用HyperMesh划分网格结束后，要保存为合适的格式，以便分析软件时使用.将HyperMesh 6.0划分的有限元网格导入到MSC Marc软件的过程如下：
(1） 在HyperMesh软件中进行网格划分后，进入“files→export"，选中“template”选项，在“template”栏后点击“load”，选择合适的模型临时文件，如果进行二维单元分析（有限元单元为面单元），则选“../hw6.0/templates/feoutput/marc/stress2d.tpl”文件；如果进行三维单元分析，则选“../hw6.0/templates/feoutput/marc/stress3d.tpl”文件.在“output”栏后直接输入保存的文件路径及其文件名或点击“write as”，然后选择文件路径并输入文件名.在这里还需要注意的是保存的文件名为数据文件类型，尾缀为“*.dat”.
(2） 在MSC Marc软件中，导入有限元网格数据文件，具体过程为：在静态菜单（界面下方）上选择“files”,点击面板“interfaces”下的“import”按钮，选择“marc input file”，或点击面板“marc input file”下的 “read” 按钮，然后在预先设定的位置找到所需数据文件，然后点击“OK”即可.
在整个有限元分析过程中，熟悉有限元基本理论是基础，掌握各软件的使用方法是关键.另外，保证各软件间的数据在导入和导出过程中的正确性也非常重要.
3 UG,HyperMesh和MSC Marc综合运用实例
某齿轮箱体底面固定，齿轮激励作用等效在轴承孔处，激励力的作用为Af(t)（A为加权系数），材料为普通钢.现综合使用UG,HyperMesh和MSC Marc软件求解箱体前端面中央处的加速度响应.
具体求解过程如下：(1） 首先利用Unigraphics NX 2.0建立几何模型（见图2），并保存为默认格式文件；(2） 在HyperMesh 6.0中，将UG中建立的几何模型导入，进行有限元网格划分，检查并修改使网格质量达到合格要求（见图3），然后保存为MSC Marc环境所能导入的数据文件（文件格式为“*.dat”）；(3） 在MSC Marc 2003中，读取该数据文件（见图4），并在其环境下正确设置边界条件（见图5）、材料属性、几何特性、单元类型以及求解方法、求解时间、求解步长、求解结果类别等，最后进行计算求解.
求解后MSC Marc中f(t)的时间历程见图6，计算点加速度响应的时域图见图7.在整个建模、有限元网格划分、数据计算及后处理过程中，各选项及参数设置方便，整个过程操作流畅、效率很高，且计算结果精度能满足工程实际需要.
4 结 论
综合使用多种有限元软件进行有限元分析及其前后处理，有利于各软件扬长避短，从而使建模、网格划分、计算分析及结果处理等过程操作方便，计算准确，效率和精度大大提高.
参考文献：
［1］ 刘尔烈, 崔恩第, 徐振铎. 有限单元法及程序设计［M］. 天津: 天津大学出版社, 1999.
［2］ 曾向阳, 谢国明, 王学平, 等. UGNX基础及应用教程［M］. 北京: 电子工业出版社, 2003.
［3］ 澳汰尔工程软件 (上海)有限公司.Altair HyperMesh基础培训教程［K］.2003.
［4］ 于开平, 周传月, 谭惠丰, 等. HyperMesh从入门到精通［M］. 北京: 科学出版社, 2005.
［5］ 阚前华, 常志宇. MSC Marc工程应用实例分析与二次开发［M］. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.
［6］ 梁清香, 张根全. 有限元与Marc实现［M］. 北京: 机械工业出版社, 2005.
(编辑 廖粤新)
关键词：有限元; UG; HyperMesh; MSC Marc
中图分类号：TB115；O241.82 文献标志码：A
Comprehensive application of UG, HyperMesh and MSC
Marc in finite element analysis
JIANG Xuewu, WU Xinyue, ZHU Shijian
(College of Naval Architecture & Power, Naval Univ. of Eng., Wuhan 430033, China)
Abstract： With the issues that finite element analysis using single software is complicated and low efficient, the UG, HyperMesh and MSC Marc softwares are synthetically applied in the course of modeling, plotting finite element grids, calculating and analyzing, and result dealing based on their respective characteristic. The example indicates that the comprehensive application of various finite element softwares can exert their corresponding advantages and make the analysis more efficient.
Key words： finite element; UG; HyperMesh; MSC Marc
0 引 言
有限元法［1］作为求解复杂工程问题的重要方法，应用非常广泛.近几十年来，随着计算机技术和数值分析技术的迅速发展，有限元法理论及其算法已趋于成熟.由于有限元法具有高度通用性和实用性，从而导致各类有限元通用软件的飞速发展.目前，将有限元理论、计算机图形学以及优化技术相结合而开发的各类专用有限元软件，能高速高效地解决各类有限元问题.
在工程应用中，各类专用有限元软件在几何建模、网格划分、分析计算及结果处理方面各有特色.虽然很多情况下只需某一软件就能完成整个有限元分析过程，但过程往往比较复杂、效率不高且容易出错.因此，充分发挥各软件的长处，综合运用各软件就显得尤为必要.
本文根据UG软件［2］、HyperMesh软件［3，4］和MSC Marc［5，6］软件的不同特点，在有限元几何建模、网格划分、分析计算以及结果处理过程中，扬长避短，综合运用这些软件解决工程实际问题，整个处理过程条理清楚.相对于单一软件处理，多软件综合应用能提高解决问题的效率和精度.
1 UG，HyperMesh和MSC Marc软件及其特点简介1.1 UG软件
UG软件是美国EDS公司的产品，采用基于约束的特征建模和传统几何建模为一体的复合建模技术，建模高速高效，在曲面造型方面特别强.最突出的优点就是其几何建模功能非常强大，缺点是在有限元网格划分及有限元分析计算和后处理方面较为薄弱.
1.2 HyperMesh软件
HyperMesh软件是美国Atair公司的产品，其优点有：(1） 有限元网格划分时操作简单方便，网格划分速度快；(2） 有限元网格划分时质量易于控制，便于调整和修改，划分有限元单元质量非常好，能满足实际工程分析需要；(3） 与其他多种CAD和CAE软件有良好的接口.
与UG软件相比，HyperMesh软件的建模功能较为薄弱.与MSC Marc软件相比，在有限元分析时材料类型和单元类型数量较少，求解方法难以设置，在有限元分析计算与结果处理方面的性能也有一定差距.
1.3 MSC Marc软件
MSC Marc软件为美国MSC公司的产品，该软件的优点为：(1） 具有功能齐全的多种高级非线性有限元求解器，可以处理各种线性与非线性结构分析；(2） 单元库提供数百种单元类型，包括结构单元、连续单元和特殊单元，几乎每种单元都具有处理大变形、几何非线性、材料非线性(包括接触在内的边界条件非线性)以及组合的高度非线性的超强能力，能满足绝大部分工程的实际需要；(3） 材料库内容十分丰富，具有多种线性与非线性及复杂材料模型；(4） 分析时采用具有高数值稳定性、高精度与快速收敛的高度非线性问题求解技术，并采用加载步长自适应控制技术，可自动确定非线性分析和动力响应的加载步长，从而保证计算精度.
MSC Marc的缺点是其几何建模和网格划分功能较差，且操作不方便，尤其是对于比较复杂的结构更为困难.2 UG，HyperMesh和MSC Marc在有限元分析中的综合运用有限元软件的综合运用，目的在于充分发挥各软件的长处，避免其不足，从而使软件几何建模、网格划分、分析计算及结果处理的整个过程高速高效、条理清楚、不易出错，且容易操作和修改.
根据以上对UG，HyperMesh和MSC Marc软件各自特点的分析，可以看出：先使用UG软件进行几何建模，然后利用HyperMesh进行有限元网格划分，最后采用MSC Marc进行计算分析及结果处理，可以大大提高整个分析过程的效率，其求解也能符合实际需要.
对UG，HyperMesh和MSC Marc软件综合应用的整个过程见图1.
在此过程中的准备工作主要包括：确定有限元分析对象的几何尺寸、材料特性、边界条件以及所需要分析的内容.
使用UG软件建立几何模型后，可直接保存为UG软件的默认文件类型，也可保存为“*.iges”或“*.igs”格式，以备HyperMesh使用.HyperMesh直接使用UG默认的文件类型时，需要在计算机操作系统中设置正确的环境变量.以Unigraphics NX和HyperMesh 6.0为例，其具体方法如下：首先进入“我的电脑（点击右键）→属性→高级→环境变量→系统变量”，编辑系统变量中的path项，在其中添加“%UGII-ROOT-DIR%”，注意该项与其他项之间要用“；”隔开.另外，还要检查“UGII-ROOT-DIR”项，看其路径设置是否正确.
将UG软件建立的几何模型直接导入HyperMesh的过程为：在HyperMesh操作界面中进入“files→import→GEOM（选中）→UG-NX（选中）”，然后点击“import”，并根据文件路径及其文件名选择需要导入的UG文件.“*.iges”或“*.igs”等其他格式文件导入方法和过程与此类似.
利用HyperMesh划分网格结束后，要保存为合适的格式，以便分析软件时使用.将HyperMesh 6.0划分的有限元网格导入到MSC Marc软件的过程如下：
(1） 在HyperMesh软件中进行网格划分后，进入“files→export"，选中“template”选项，在“template”栏后点击“load”，选择合适的模型临时文件，如果进行二维单元分析（有限元单元为面单元），则选“../hw6.0/templates/feoutput/marc/stress2d.tpl”文件；如果进行三维单元分析，则选“../hw6.0/templates/feoutput/marc/stress3d.tpl”文件.在“output”栏后直接输入保存的文件路径及其文件名或点击“write as”，然后选择文件路径并输入文件名.在这里还需要注意的是保存的文件名为数据文件类型，尾缀为“*.dat”.
(2） 在MSC Marc软件中，导入有限元网格数据文件，具体过程为：在静态菜单（界面下方）上选择“files”,点击面板“interfaces”下的“import”按钮，选择“marc input file”，或点击面板“marc input file”下的 “read” 按钮，然后在预先设定的位置找到所需数据文件，然后点击“OK”即可.
在整个有限元分析过程中，熟悉有限元基本理论是基础，掌握各软件的使用方法是关键.另外，保证各软件间的数据在导入和导出过程中的正确性也非常重要.
3 UG,HyperMesh和MSC Marc综合运用实例
某齿轮箱体底面固定，齿轮激励作用等效在轴承孔处，激励力的作用为Af(t)（A为加权系数），材料为普通钢.现综合使用UG,HyperMesh和MSC Marc软件求解箱体前端面中央处的加速度响应.
具体求解过程如下：(1） 首先利用Unigraphics NX 2.0建立几何模型（见图2），并保存为默认格式文件；(2） 在HyperMesh 6.0中，将UG中建立的几何模型导入，进行有限元网格划分，检查并修改使网格质量达到合格要求（见图3），然后保存为MSC Marc环境所能导入的数据文件（文件格式为“*.dat”）；(3） 在MSC Marc 2003中，读取该数据文件（见图4），并在其环境下正确设置边界条件（见图5）、材料属性、几何特性、单元类型以及求解方法、求解时间、求解步长、求解结果类别等，最后进行计算求解.
求解后MSC Marc中f(t)的时间历程见图6，计算点加速度响应的时域图见图7.在整个建模、有限元网格划分、数据计算及后处理过程中，各选项及参数设置方便，整个过程操作流畅、效率很高，且计算结果精度能满足工程实际需要.
4 结 论
综合使用多种有限元软件进行有限元分析及其前后处理，有利于各软件扬长避短，从而使建模、网格划分、计算分析及结果处理等过程操作方便，计算准确，效率和精度大大提高.
参考文献：
［1］ 刘尔烈, 崔恩第, 徐振铎. 有限单元法及程序设计［M］. 天津: 天津大学出版社, 1999.
［2］ 曾向阳, 谢国明, 王学平, 等. UGNX基础及应用教程［M］. 北京: 电子工业出版社, 2003.
［3］ 澳汰尔工程软件 (上海)有限公司.Altair HyperMesh基础培训教程［K］.2003.
［4］ 于开平, 周传月, 谭惠丰, 等. HyperMesh从入门到精通［M］. 北京: 科学出版社, 2005.
［5］ 阚前华, 常志宇. MSC Marc工程应用实例分析与二次开发［M］. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.
［6］ 梁清香, 张根全. 有限元与Marc实现［M］. 北京: 机械工业出版社, 2005.
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