四类问题有限元分析的MARC操作指南
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四类问题有限元分析的MARC操作指南
清华大学机械工程系 曾攀
示区的可滚动区域，程序的提问、警告和反应都将在此区显示，用户可以在区内输入数据和 命令。状态区是供显示程序的状态，working 或 ready 反映当前的程序处于运算显示新图形 状态还是等待状态。
图 1.2 MENTAT 的屏幕布局
1.2.2 MENTAT 与用户的通讯
对非结构的场问题如包含对流、辐射、相变潜热等复杂边界条件的非线性传热问题的温 度场，以及流场、电场、磁场，也提供了相应的分析求解能力；并具有模拟流－热－固、土 壤渗流、声－结构、耦合电－磁、电－热、电－热－结构以及热－结构等多种耦合场的分析 能力。
为了满足高级用户的特殊需要和进行二次开发，MSC.MARC 提供了方便的开放式用户 环境。这些用户子程序入口几乎覆盖了 MARC 有限元分析的所有环节，从几何建模、网格 划分、边界定义、材料选择到分析求解、结果输出、用户都能够访问并修改程序的缺省设置。 在 MSC.MARC 软件的原有功能的框架下，用户能够极大地扩展 MARC 有限元软件的分析 能力。
MENTAT 通过对话区的提问来要求用户输入数据或命令，根据提问结尾的标点符号不
同，共有 3 种不同的输入类型：
：
输入数据
>
输入字符串，通常是一个命令、文件名或集名
？
输入 YES 或 NO
用户可以通过鼠标、键盘或二者合用来输入数据、命令等、鼠标器用于菜单区进行选择
菜单以及在图形区检取点、线、面、单元、节点等。值得注意的是，鼠标键在菜单区和图形
MSC.MARC/MENTAT 模块是 MSC.MARC 的前后处理图形交互界面，与 MARC 求解器 无缝连接。它具有以 ACIS 为内核的一流实体造型功能；全自动二维三角形和四边形、三维 四面体和六面体网格自动划分建模能力；直观灵活的多种材料模型定义和边界条件的定义功
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四类问题有限元分析的MARC操作指南
MSC.MARC 简介 平面带孔方板拉伸 3D 带法兰高压油缸 悬臂梁的振动 斜拉桥的振动 封头等温塑性成形过程
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四类问题有限元分析的MARC操作指南
1 MSC.MARC 简介
清华大学机械工程系 曾攀
1.1 MSC.MARC 概述
MSC.MARC 是功能齐全的高级非线性有限元软件，具有极强的结构分析能力。为满足 工业界和学术界的各种需求，MSC.MARC 提供了层次丰富、适应性强、能够在多种硬件平 台上运行的系列产品。MSC.MARC 的基本模块为 MARC 和 MENTAT。
MENTAT 与 MARC 程序的关系如图 1.1 所示。MENTAT 可以自动生成 MARC 分析计算 所需要的输入文件 model.dat，用户可以在 MENTAT 的图形环境下运行 MARC 程序，此时 MARC 程序对用户来说处于后台，也可以利用 model.dat，采用“run_marc”命令运行 MARC 程序。MENTAT 可以读入 MARC 运行产生的结果文件即后处理文件 model.t19（格式化文件） 或 model.t16（非格式化文件）进行数据结果的图形显示。当然用户可以采用其他方法生成 MARC 输入文件 model.dat。
RETURN 然后，就可以建立有限元网格：先建立三个大的 4 边形单元，描述平板的轮廓，再对这 它们进行细分。 MESH GENERATION （PREPROCESSING 菜单）
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图 1.4 方框拾取
★多边形拾取，如图 1.5 所示，将鼠标移至合适位置，按下键盘上的 Crtl 键，移动鼠标 在多边形每个角点处，按下<ML>，然后松开，直至形成多边形，拾取即告结束。
★闭环线拾取，如图 1.6 所示，将鼠标移至合适位置，按下键盘上的 Crtl 键，按下<ML>， 然后松开，移动鼠标直至闭环形成，拾取即告结束。
清华大学机械工程系 曾攀
能；分析过程控制定义和递交分析、自动检查分析模型完整性的功能；实时监控分析功能； 方便的可视化处理计算结果能力；先进的光照、渲染、动画和电影制作等图形功能。并可直 接访问常用的 CAD/CAE 系统，如：ACIS、AutoCAD、IGES、MSC.NASTRAN、MSC.PATRAN、 Unigraphic、Catia、Solid work、Solid Edge、IDEAS、VDAFS、Pro/ENGTNEER、ABAQUS、 ANSYS、PSTEP 等。
◆分析步骤
第一步：生成网格（MESH GENERATION） 本步的任务是建立用于有限元分析的几何模型，并进行网格划分。 首先，设置屏幕的显示区域，并打开格点显示。 MESH GENERATION （PREPROCESSING 菜单） SET （COORDINATE SYSTEM 菜单） U DOMAIN （设置屏幕 X 方向的显示范围） 0 10 （在命令窗口输入）
四类问题有限元分析的MARC操作指南
《有限元分析及应用》
清华大学机械工程系 曾攀
四类问题有限元分析的 MARC 操作指南
曾攀
(清华大学机械工程系)
本操作指南是向初学者介绍 MSC.MARC 软件，采用逐步演示的方式，帮助使用者熟悉 MSC.MARC/MENTAT 的菜单操作，并通过一系列的实例分析帮助使用者逐步掌握该软件的 使用；内容涉及四类问题：平面静力问题、空间静力问题、振动模态分析、材料非线性问题， 具体内容如下。
程序将实型数转换为整型数。使用 CTRL－P 键可以查看前面的输入行，使用 CTRL-N 键可
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以查看下面的输入行。
源自文库
四类问题有限元分析的MARC操作指南
清华大学机械工程系 曾攀
命令选择键 <ML>
在线帮助键 <MM>
返回键 <MR>
用<ML>键 选择点
用<MM>键 撤消最后选择
的点
用<MR>键 结束选择
1.3 应用 MSC.MARC 进行有限元分析的步骤
应用通用有限元软件进行分析，总体上分为前处理、求解和后处理三步。在 MSC.MARC 上，具体包括如下步骤：
(1) 生成网格（MESH GENERATION）；
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四类问题有限元分析的MARC操作指南
清华大学机械工程系 曾攀
(2) 定义边界条件（BOUNDARY CONDITIONS）； (3) 定义初始条件（INITIAL CONDITIONS）； (4) 定义材料特性（MATERIAL PROPERTIES）； (5) 定义几何特性（GEOMETRIC PROPERTIES）； (6) 定义载荷工况（LOADCASES）； (7) 定义任务（JOBS）； (8) 后处理（RESULTS）。 下面通过一个简单的例子(图 1.7)，来说明运用 MSC.MARC 进行有限元分析的步骤。
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四类问题有限元分析的MARC操作指南
清华大学机械工程系 曾攀
图 1.5 多边形拾取
图 1.6 闭环线拾取
1.2.3 菜单光钮的分类
在菜单面板上有许多平坦和凸起的四边形，对于凸起的四边形可用<ML>选择，而对平 坦的四边形进行<ML>、<MM>操作均不作反应，对于凸起的四边形我们称为光钮，共有 5 种不同的光钮：
MSC.MARC/MARC 模块是功能齐全的高级非线性有限元软件求解器，体现了 30 年来 有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合。它具有极强的结构分析能力：
(1) 可以处理各种线性和非线性结构分析包括：线性/非线性静力分析、模态分析、简谐 响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失 效和破坏分析等；
区的功能是不同的。以下我们用<ML>、<MR>、<MM>分别代表鼠标的左键、右键、中键，
用<↓>表示用户对鼠标的移动及定位。图 1.3 表明了各鼠标键在菜单区选择菜单和在图形区
检取的作用。
数字及一些字符数据必须用键盘输入。输入数字时，程序能对整型数和实型数进行自动
转换。例如程序要求用户输入实型数，而用户输入整型数，程序能自动加上小数点；反之，
在菜单区
图 1.3 鼠标健的功能
在图形区
实际使用 MENTAT 时常常需要检取相邻的一大批节点、单元等，如果一个、一个地用 <ML>检取既繁琐又易出错，此时可以鼠标与键盘并用一次就检取完毕。具体有三种方法： 方盒（box）检取、多边形检取、闭环检取。
★方框拾取，如图 1.4 所示，要拾取最左边的 4 个节点，先将鼠标移至 1 处，按下<ML>， 移动鼠标至 2 处，松开<ML>，拾取即告结束。
★子菜单光钮，代表子菜单的入口，在光钮右边有“ > ”符号。
★循环光钮，用于三种或三种以上交替变化参数的选择，在光钮的右边有“∇”符号。 ★触发光钮，用于二种交替变化参数的选择，在光钮的右边有“□”符号。 ★表式光钮，代表参数光钮与平坦四边形之间的综合，显示与光钮表示的参数相关的一 个或多个数字或字符数字值，选取此类光钮后，通常需要用户通过键盘输入数据，并将所输 入的数据显示在四边形域内。 ★单一参数光钮组，与循环光钮类似，但多种选择作为一组光钮组同时显示于菜单上， 一次只能选择一个，在光钮的右边有“◇”符号。
(4) 分析采用具有高数值稳定性、高精度和快速收敛的高度非线性问题求解技术。为了 进一步提高计算精度和分析效率，MARC 软件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制 技术，自动确定分析曲屈、蠕变、热弹塑性和动力响应的加载步长；
(5) 网格自适应技术，以多种误差准则自动调节网格疏密，不仅可提高大型非线性结构 分析精度，而且能对局部非线性应变集中、移动边界或接触分析提供优化的网格密度，既保 证计算精度，同时也使非线性分析的计算效率大大提高。此外，MARC 支持全自动二维网 格和三维网格重划，用以纠正过度变形后产生的网格畸变，确保大变形分析的继续进行。
6m
X 向约束
6m
2m
均布力 p
4m
Y 向约束
8m 图 1.7 一个平面问题的有限元模型
◆模型描述
由两个矩形组成的一块平板，几何形状和尺寸如图 1.7 所示。材料假设为线弹性，
E=210GPa， µ = 0.3 。平板在右边缘受到均布载荷 p=1000Pa。平板在左边缘约束住 X 方向
位移，在左下角约束住 Y 方向位移。 本算例计算平板的变形情况，并且查看 Mises 应力的分布。
(2) 它提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库，几乎每种单元都具有处 理大变形几何非线性,材料非线性和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；
(3) MARC 的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多 种线性和非线性复杂材料行为的材料模型；
本手册以 MARC2000(NT 版)为例，对 MSC.MARC 的基本功能和操作进行简单的介绍。
model.mud model.mfd
MENTAT
model.dat
model.t19 model.t16
MARC
model.out model.log model.t08…
图 1.1 MARC 与 MNETAT 之间的数据传输关系
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清华大学机械工程系 曾攀
U SPACING （设置格点之间 X 方向的间距） 1 （在命令窗口输入） V DOMAIN （设置屏幕 Y 方向的显示范围） 0 10 （在命令窗口输入） V SPACING （设置格点之间 Y 方向的间距） 1 （在命令窗口输入） GRID （ON，显示出格点） FILL （位于静态菜单） RETURN
1.2 MENTAT 的基本操作
在 WINDOWS-NT 环境下，可以通过如下两种方式启动 MENTAT： (1) 点击图标：MSC.Marc Mentat 2000 (OpenGL) (2) 在命令行下键入：mentat 1.2.1 MENTAT 的屏幕布局 MENTAT 启动后就进入了用户界面，其屏幕布局如图 1.2 所示。 由图 1.2 可见，MENTAT 图形界面可以分为图形区、动态菜单区、静态菜单区、对话区 和状态区。图形区用于显示数据库的当前状态，当开始运行时，图形区是空的，表示数据库 是空的。动态菜单区和静态菜单区用于显示可选择的菜单，其中动态菜单区根据选择的菜单 将作变化，而静态菜单区始终保持不变，总是显示随时可选择的菜单，对话区是包括 5 行显
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示区的可滚动区域，程序的提问、警告和反应都将在此区显示，用户可以在区内输入数据和 命令。状态区是供显示程序的状态，working 或 ready 反映当前的程序处于运算显示新图形 状态还是等待状态。
图 1.2 MENTAT 的屏幕布局
1.2.2 MENTAT 与用户的通讯
对非结构的场问题如包含对流、辐射、相变潜热等复杂边界条件的非线性传热问题的温 度场，以及流场、电场、磁场，也提供了相应的分析求解能力；并具有模拟流－热－固、土 壤渗流、声－结构、耦合电－磁、电－热、电－热－结构以及热－结构等多种耦合场的分析 能力。
为了满足高级用户的特殊需要和进行二次开发，MSC.MARC 提供了方便的开放式用户 环境。这些用户子程序入口几乎覆盖了 MARC 有限元分析的所有环节，从几何建模、网格 划分、边界定义、材料选择到分析求解、结果输出、用户都能够访问并修改程序的缺省设置。 在 MSC.MARC 软件的原有功能的框架下，用户能够极大地扩展 MARC 有限元软件的分析 能力。
MENTAT 通过对话区的提问来要求用户输入数据或命令，根据提问结尾的标点符号不
同，共有 3 种不同的输入类型：
：
输入数据
>
输入字符串，通常是一个命令、文件名或集名
？
输入 YES 或 NO
用户可以通过鼠标、键盘或二者合用来输入数据、命令等、鼠标器用于菜单区进行选择
菜单以及在图形区检取点、线、面、单元、节点等。值得注意的是，鼠标键在菜单区和图形
MSC.MARC/MENTAT 模块是 MSC.MARC 的前后处理图形交互界面，与 MARC 求解器 无缝连接。它具有以 ACIS 为内核的一流实体造型功能；全自动二维三角形和四边形、三维 四面体和六面体网格自动划分建模能力；直观灵活的多种材料模型定义和边界条件的定义功
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MSC.MARC 简介 平面带孔方板拉伸 3D 带法兰高压油缸 悬臂梁的振动 斜拉桥的振动 封头等温塑性成形过程
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四类问题有限元分析的MARC操作指南
1 MSC.MARC 简介
清华大学机械工程系 曾攀
1.1 MSC.MARC 概述
MSC.MARC 是功能齐全的高级非线性有限元软件，具有极强的结构分析能力。为满足 工业界和学术界的各种需求，MSC.MARC 提供了层次丰富、适应性强、能够在多种硬件平 台上运行的系列产品。MSC.MARC 的基本模块为 MARC 和 MENTAT。
MENTAT 与 MARC 程序的关系如图 1.1 所示。MENTAT 可以自动生成 MARC 分析计算 所需要的输入文件 model.dat，用户可以在 MENTAT 的图形环境下运行 MARC 程序，此时 MARC 程序对用户来说处于后台，也可以利用 model.dat，采用“run_marc”命令运行 MARC 程序。MENTAT 可以读入 MARC 运行产生的结果文件即后处理文件 model.t19（格式化文件） 或 model.t16（非格式化文件）进行数据结果的图形显示。当然用户可以采用其他方法生成 MARC 输入文件 model.dat。
RETURN 然后，就可以建立有限元网格：先建立三个大的 4 边形单元，描述平板的轮廓，再对这 它们进行细分。 MESH GENERATION （PREPROCESSING 菜单）
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图 1.4 方框拾取
★多边形拾取，如图 1.5 所示，将鼠标移至合适位置，按下键盘上的 Crtl 键，移动鼠标 在多边形每个角点处，按下<ML>，然后松开，直至形成多边形，拾取即告结束。
★闭环线拾取，如图 1.6 所示，将鼠标移至合适位置，按下键盘上的 Crtl 键，按下<ML>， 然后松开，移动鼠标直至闭环形成，拾取即告结束。
清华大学机械工程系 曾攀
能；分析过程控制定义和递交分析、自动检查分析模型完整性的功能；实时监控分析功能； 方便的可视化处理计算结果能力；先进的光照、渲染、动画和电影制作等图形功能。并可直 接访问常用的 CAD/CAE 系统，如：ACIS、AutoCAD、IGES、MSC.NASTRAN、MSC.PATRAN、 Unigraphic、Catia、Solid work、Solid Edge、IDEAS、VDAFS、Pro/ENGTNEER、ABAQUS、 ANSYS、PSTEP 等。
◆分析步骤
第一步：生成网格（MESH GENERATION） 本步的任务是建立用于有限元分析的几何模型，并进行网格划分。 首先，设置屏幕的显示区域，并打开格点显示。 MESH GENERATION （PREPROCESSING 菜单） SET （COORDINATE SYSTEM 菜单） U DOMAIN （设置屏幕 X 方向的显示范围） 0 10 （在命令窗口输入）
四类问题有限元分析的MARC操作指南
《有限元分析及应用》
清华大学机械工程系 曾攀
四类问题有限元分析的 MARC 操作指南
曾攀
(清华大学机械工程系)
本操作指南是向初学者介绍 MSC.MARC 软件，采用逐步演示的方式，帮助使用者熟悉 MSC.MARC/MENTAT 的菜单操作，并通过一系列的实例分析帮助使用者逐步掌握该软件的 使用；内容涉及四类问题：平面静力问题、空间静力问题、振动模态分析、材料非线性问题， 具体内容如下。
程序将实型数转换为整型数。使用 CTRL－P 键可以查看前面的输入行，使用 CTRL-N 键可
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以查看下面的输入行。
源自文库
四类问题有限元分析的MARC操作指南
清华大学机械工程系 曾攀
命令选择键 <ML>
在线帮助键 <MM>
返回键 <MR>
用<ML>键 选择点
用<MM>键 撤消最后选择
的点
用<MR>键 结束选择
1.3 应用 MSC.MARC 进行有限元分析的步骤
应用通用有限元软件进行分析，总体上分为前处理、求解和后处理三步。在 MSC.MARC 上，具体包括如下步骤：
(1) 生成网格（MESH GENERATION）；
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四类问题有限元分析的MARC操作指南
清华大学机械工程系 曾攀
(2) 定义边界条件（BOUNDARY CONDITIONS）； (3) 定义初始条件（INITIAL CONDITIONS）； (4) 定义材料特性（MATERIAL PROPERTIES）； (5) 定义几何特性（GEOMETRIC PROPERTIES）； (6) 定义载荷工况（LOADCASES）； (7) 定义任务（JOBS）； (8) 后处理（RESULTS）。 下面通过一个简单的例子(图 1.7)，来说明运用 MSC.MARC 进行有限元分析的步骤。
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四类问题有限元分析的MARC操作指南
清华大学机械工程系 曾攀
图 1.5 多边形拾取
图 1.6 闭环线拾取
1.2.3 菜单光钮的分类
在菜单面板上有许多平坦和凸起的四边形，对于凸起的四边形可用<ML>选择，而对平 坦的四边形进行<ML>、<MM>操作均不作反应，对于凸起的四边形我们称为光钮，共有 5 种不同的光钮：
MSC.MARC/MARC 模块是功能齐全的高级非线性有限元软件求解器，体现了 30 年来 有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合。它具有极强的结构分析能力：
(1) 可以处理各种线性和非线性结构分析包括：线性/非线性静力分析、模态分析、简谐 响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失 效和破坏分析等；
区的功能是不同的。以下我们用<ML>、<MR>、<MM>分别代表鼠标的左键、右键、中键，
用<↓>表示用户对鼠标的移动及定位。图 1.3 表明了各鼠标键在菜单区选择菜单和在图形区
检取的作用。
数字及一些字符数据必须用键盘输入。输入数字时，程序能对整型数和实型数进行自动
转换。例如程序要求用户输入实型数，而用户输入整型数，程序能自动加上小数点；反之，
在菜单区
图 1.3 鼠标健的功能
在图形区
实际使用 MENTAT 时常常需要检取相邻的一大批节点、单元等，如果一个、一个地用 <ML>检取既繁琐又易出错，此时可以鼠标与键盘并用一次就检取完毕。具体有三种方法： 方盒（box）检取、多边形检取、闭环检取。
★方框拾取，如图 1.4 所示，要拾取最左边的 4 个节点，先将鼠标移至 1 处，按下<ML>， 移动鼠标至 2 处，松开<ML>，拾取即告结束。
★子菜单光钮，代表子菜单的入口，在光钮右边有“ > ”符号。
★循环光钮，用于三种或三种以上交替变化参数的选择，在光钮的右边有“∇”符号。 ★触发光钮，用于二种交替变化参数的选择，在光钮的右边有“□”符号。 ★表式光钮，代表参数光钮与平坦四边形之间的综合，显示与光钮表示的参数相关的一 个或多个数字或字符数字值，选取此类光钮后，通常需要用户通过键盘输入数据，并将所输 入的数据显示在四边形域内。 ★单一参数光钮组，与循环光钮类似，但多种选择作为一组光钮组同时显示于菜单上， 一次只能选择一个，在光钮的右边有“◇”符号。
(4) 分析采用具有高数值稳定性、高精度和快速收敛的高度非线性问题求解技术。为了 进一步提高计算精度和分析效率，MARC 软件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制 技术，自动确定分析曲屈、蠕变、热弹塑性和动力响应的加载步长；
(5) 网格自适应技术，以多种误差准则自动调节网格疏密，不仅可提高大型非线性结构 分析精度，而且能对局部非线性应变集中、移动边界或接触分析提供优化的网格密度，既保 证计算精度，同时也使非线性分析的计算效率大大提高。此外，MARC 支持全自动二维网 格和三维网格重划，用以纠正过度变形后产生的网格畸变，确保大变形分析的继续进行。
6m
X 向约束
6m
2m
均布力 p
4m
Y 向约束
8m 图 1.7 一个平面问题的有限元模型
◆模型描述
由两个矩形组成的一块平板，几何形状和尺寸如图 1.7 所示。材料假设为线弹性，
E=210GPa， µ = 0.3 。平板在右边缘受到均布载荷 p=1000Pa。平板在左边缘约束住 X 方向
位移，在左下角约束住 Y 方向位移。 本算例计算平板的变形情况，并且查看 Mises 应力的分布。
(2) 它提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库，几乎每种单元都具有处 理大变形几何非线性,材料非线性和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；
(3) MARC 的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多 种线性和非线性复杂材料行为的材料模型；
本手册以 MARC2000(NT 版)为例，对 MSC.MARC 的基本功能和操作进行简单的介绍。
model.mud model.mfd
MENTAT
model.dat
model.t19 model.t16
MARC
model.out model.log model.t08…
图 1.1 MARC 与 MNETAT 之间的数据传输关系
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四类问题有限元分析的MARC操作指南
清华大学机械工程系 曾攀
U SPACING （设置格点之间 X 方向的间距） 1 （在命令窗口输入） V DOMAIN （设置屏幕 Y 方向的显示范围） 0 10 （在命令窗口输入） V SPACING （设置格点之间 Y 方向的间距） 1 （在命令窗口输入） GRID （ON，显示出格点） FILL （位于静态菜单） RETURN
1.2 MENTAT 的基本操作
在 WINDOWS-NT 环境下，可以通过如下两种方式启动 MENTAT： (1) 点击图标：MSC.Marc Mentat 2000 (OpenGL) (2) 在命令行下键入：mentat 1.2.1 MENTAT 的屏幕布局 MENTAT 启动后就进入了用户界面，其屏幕布局如图 1.2 所示。 由图 1.2 可见，MENTAT 图形界面可以分为图形区、动态菜单区、静态菜单区、对话区 和状态区。图形区用于显示数据库的当前状态，当开始运行时，图形区是空的，表示数据库 是空的。动态菜单区和静态菜单区用于显示可选择的菜单，其中动态菜单区根据选择的菜单 将作变化，而静态菜单区始终保持不变，总是显示随时可选择的菜单，对话区是包括 5 行显