4.2 施加載荷

用戶可以將大多數載荷施加于實體模型（如關鍵點、線和面）上或有限元模型（節點和單元）上。用戶施加于實體模型上的載荷稱為實體模型載荷，而直接施加于有限元模型上的載荷稱為有限單元載荷。例如，可在關鍵點或節點施加指定集中力。同樣地，可以在線和面或在節點和單元面上指定對流（和其他表面載荷）。無論怎樣指定載荷，求解器期望所有載荷應依據有限元模型。因此，如果將載荷施加于實體模型，在開始求解時，程序會自動將這些載荷轉換到節點和單元上。

4.2.1 載荷分類

本節主要討論如何施加DOF約束、集中力、表面載荷、體積載荷、慣性載荷和耦合場載荷。

1.DOF約束

如表4-1所示為每個學科中可被約束的自由度和相應的ANSYS標識符。標識符（如UX、ROTZ、AY等）所包含的任何方向都在節點坐標系中。

表4-1 每個學科中可用的DOF約束

如表4-2所示為施加、列表顯示和刪除DOF約束的命令。需要注意的是，可以將約束施加于節點、關鍵點、線和面上。

表4-2 DOF約束的命令

下面是一些可用于施加DOF約束的GUI路徑的例子。

          GUI:Main Menu > Preprocessor > Loads > Apply > load type > On Nodes
              Utility Menu > List > Loads > DOF Constraints > On Keypoints
              Main Menu > Solution > Apply > load type > On Lines

2．集中力

如表4-3所示為每個學科中可用的集中載荷和相應的ANSYS標識符。標識符（如FX、MZ和CSGY等）所包含的任何方向都在節點坐標系中。

表4-3 每個學科中的集中力

如表4-4所示為施加、列表顯示和刪除集中載荷的命令。需要注意的是，可以將集中載荷施加于節點和關鍵點上。

表4-4 用于施加集中力載荷的命令

下面是一些用于施加集中力載荷的GUI路徑的例子。

          GUI:Main Menu > Preprocessor > Loads > Apply > load type > On Nodes
              Utility Menu > List > Loads > Forces > On Keypoints
              Main Menu > Solution > Apply > load type > On Lines

3．表面載荷

如表4-5所示為每個學科中可用的表面載荷和相應的ANSYS標識符。

表4-5 每個學科中可用的表面載荷

如表4-6所示為施加、列表顯示和刪除表面載荷的命令。需要注意的是，不僅可以將表面載荷施加在線和面上，還可以施加于節點和單元上。

表4-6 用于施加表面載荷的命令

下面是一些用于施加表面載荷的GUI路徑的例子。

          GUI:Main Menu > Preprocessor > Loads > Apply > load type > On Nodes
              Utility Menu > List > Loads > Surface Loads > On Elements
              Main Menu > Solution > Loads > Apply > load type > On Lines

注意：ANSYS程序根據單元和單元面存儲在節點上指定面的載荷。因此，如果對同一表面使用節點面載荷命令和單元面載荷命令，則使用幫助文件中ANSYS Commands Reference的規定。

4．體積載荷

如表4-7所示為每個學科中可用的體積載荷和相應的ANSYS標識符。

表4-7 每個學科中可用的體積載荷

如表4-8所示為施加、列表顯示和刪除表面載荷的命令。需要注意的是，可以將體積載荷施加在節點、單元、關鍵點、線、面和體上。

表4-8 用于施加體積載荷的命令

下面是一些用于施加體積載荷的GUI路徑的例子。

          GUI:Main Menu > Preprocessor > Loads > Apply > load type > On Nodes
              Utility Menu > List > Loads > Body Loads > On Picked Elems
              Main Menu > Solution > Loads > Apply > load type > On Keypoints
              Utility Menu > List > Load > Body Loads > On Picked Lines
              Main Menu > Solution > Load > Apply > load type > On Volumes

5．慣性載荷

施加慣性載荷的命令如表4-9所示。

表4-9 慣性載荷命令

注意：沒有用于列表顯示或刪除慣性載荷的專門命令。要想列表顯示慣性載荷，可執行STAT，INRTIA（Utility Menu > List > Status > Soluion > Inerti Loads）命令。要去除慣性載荷，只要將載荷值設置為0。可以將慣性載荷設置為0，但是不能刪除慣性載荷。對逐步上升的載荷步，慣性載荷的斜率為0。

ACEL、OMEGA和DOMEGA命令分別用于指定在整體笛卡爾坐標系中的加速度、角速度和角加速度。

注意：ACEL命令用于對物體施加加速場（非重力場）。因此，要施加作用于負Y方向的重力，應指定一個和正Y方向的加速度。

使用CGOMGA和DCGOMG命令指定旋轉物體的角速度和角加速度，該物體本身正相對于另一個參考坐標系旋轉。CGLOC命令用于指定參照系相對于整體笛卡兒坐標系的位置。例如，在靜態分析中，為了考慮Coriolis效果，可以使用這些命令。

慣性載荷當模型具有質量時有效。慣性載荷通常是通過指定密度來施加的（還可以通過使用質量單元，如MASS21對模型施加質量，但通過密度的方法施加慣性載荷更常用、更有效）。對其他數據，ANSYS程序要求質量為恒定單位。如果習慣于英制單位，為了方便起見，有時希望使用重量密度（lb/in3）來代替質量密度（lb-sec2/in/in3）。

只有在下列情況下可以使用重量密度來代替質量密度。

模型僅用于靜態分析。

沒有施加角速度或角加速度。

重力加速度為單位值（g=1.0）。

為了能夠以“方便的”重力密度形式或以“一致的”質量密度形式使用密度，指定密度的一種簡便的方法是將重力加速度g定義為參數，如表4-10所示。

表4-10 指定密度的方式

6．耦合場載荷

在耦合場分析中，通常包含將一個分析中的結果數據施加于第二個分析中作為第二個分析的載荷。例如，可以將熱力分析中計算的節點溫度施加于結構分析（熱應力分析）中，作為體積載荷。同樣，可以將磁場分析中計算的磁力施加于結構分析中，作為節點力。要施加這樣的耦合場載荷，可使用下列方法之一。

          命令：LDREAD
          GUI:Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > load type > Fromsource
              Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > load type > From source

4.2.2 軸對稱載荷與反作用力

對約束、表面載荷、體積載荷和Y方向加速度，可以像對任何非軸對稱模型上定義載荷一樣來精確地定義這些載荷。然而，對集中載荷的定義，過程有所不同。因為這些載荷大小、輸入的力、力矩等數值是在360°范圍內進行的，即根據沿周邊的總載荷輸入載荷值。例如，如果1500磅/單位英寸沿周邊的軸對稱軸向載荷被施加到直徑為10英寸的管上（如圖4-5所示）,47124lb（1500×2π× 5=47124）的總載荷將按下列方法被施加到節點N上：F, N, FY,47124。

圖4-5 在360°范圍內定義集中軸對稱載荷

軸對稱結果也按對應的輸入載荷相同的方式解釋，即輸出的反作用力、力矩等按總載荷（360°）計。

軸對稱協調單元要求其載荷表示成傅里葉級數形式來施加。對這些單元，要求用MODE命令（Main Menu > Preprocessor > Loads > Load Step Opts > Other > For Harmonic Ele或Main Menu >Solution > Load Step Opts > Other > For Harmonic Ele），以及其他載荷命令（D、F、SF等）。

注意：一定要指定足夠數量的約束防止產生不期望的剛體運動、不連續或奇異性。例如，對實心桿這樣的實體結構的軸對稱模型，缺少沿對稱軸的UX約束，在結構分析中，就可能形成虛位移（不真實的位移），如圖4-6所示。

圖4-6 實體軸對稱結構的中心約束

4.2.3 利用表格施加載荷

通過一定的命令和菜單路徑，用戶能夠利用表格參數來施加載荷，即通過指定列表參數名來代替指定特殊載荷的實際值。然而，并不是所有的邊界條件都支持這種制表載荷，因此，用戶在使用表格施加載荷時一般先參考一定的文件來確定指定的載荷是否支持表格參數。

注意：當用戶使用命令來定義載荷時，必須使用%表格名%格式。例如，當確定描述對流值表格時，有如下命令表達式：

            SF, all, conv, %sycnv%, tbulk

在施加載荷的同時，用戶可以通過選擇new table選項定義新的表格。同樣，用戶在施加載荷之前還可以通過如下方式之一來定義表格。

    命令：*DIM
    GUI:Utility Menu > Parameters > Array Parameters > Define/Edit

1．定義初始變量

當用戶定義一個列表參數表格時，根據不同的分析類型，可以定義各種各樣的初始參數。如表4-11所示為不同分析類型的邊界條件、初始變量及對應的命令。

表4-11 邊界條件類型及其相應的初始變量

單元SURF151、SURF152和單元FLUID116的實常數與初始變量相關聯，如表4-12所示。

表4-12 實常數與相應的初始變量

2．定義獨立變量

當用戶需要指定不同于列表顯示的初始變量時，可以定義一個獨立的參數變量。當用戶指定獨立參數變量的同時，定義了一個附加表格來表示獨立參數，這個表格必須與獨立參數變量同名，并且同時是一個初始變量或者另外一個獨立參數變量的函數。用戶能夠定義許多必需的獨立參數，但是所有的獨立參數必須與初始變量有一定的關系。

例如，考慮一對流系數（HF），其變化為旋轉速率（RPM）和溫度（TEMP）的函數。此時，初始變量為TEMP，獨立參數變量為RPM，而RPM是隨著時間的變化而變化。因此，用戶需要兩個表格，一個關聯RPM與TIME，另一個關聯HF與RPM和TEMP，其命令流如下。

    *DIM, SYCNV, TABLE,3,3, , RPM, TEMP
    SYCNV(1,0)=0.0,20.0,40.0
    SYCNV(0,1)=0.0,10.0,20.0,40.0
    SYCNV(0,2)=0.5,15.0,30.0,60.0
    SYCNV(0,3)=1.0,20.0,40.0,80.0
    *DIM, RPM, TABLE,4,1,1, TIME
    RPM(1,0)=0.0,10.0,40.0,60.0
    RPM(1,1)=0.0,5.0,20.0,30.0
    SF, ALL, CONV, %SYCNV%

3．表格參數操作

用戶可以通過如下方式對表格進行一定的數學運算，如加法、減法與乘法。

    命令：*TOPER
    GUI:Utility Menu > Parameters > Array Operations > Table Operations

注意：兩個參與運算的表格必須具有相同的尺寸，每行、每列的變量名必須相同等。

4．確定邊界條件

當用戶利用列表參數來定義邊界條件時，可以通過如下5種方式檢驗其是否正確。

檢查輸出窗口。當用戶使用制表邊界條件于有限單元或實體模型時，于輸出窗口顯示的是表格名稱而不是一定的數值。

列表顯示邊界條件。當用戶在前處理過程中列表顯示邊界條件時，列表顯示表格名稱；而當用戶在求解或后處理過程中列表顯示邊界條件時，顯示的卻是位置或時間。

檢查圖形顯示。在制表邊界條件運用的地方，用戶可以通過標準的ANSYS圖形顯示功能（/PBC, /PSF等）顯示出表格名稱和一些符號（箭頭），當然前提是表格編號顯示處于工作狀態（/PNUM, TABNAM, ON）。

在通用后處理中檢查表格的代替數值。

通過命令*STATUS或者GUI菜單路徑（Utility Menu > List > Other > Parameters）可以重新獲得任意變量結合的表格參數值。

4.2.4 利用函數施加載荷和邊界條件

用戶可以通過一些函數工具對模型施加復雜的邊界條件。函數工具包括兩個部分，一部分是函數編輯器，用于創建任意的方程或者多重函數；另一部分是函數裝載器，用于獲取創建的函數并制成表格。用戶可以分別通過以下兩種方式進入函數編輯器和函數裝載器。

          GUI:Utility Menu > Parameters > Functions > Define/Edit，或者GUI:Main Menu >
    Solution > Define Loads > Apply > Functions > Define/Edit
              Utility Menu > Parameters > Functions > Read from file，或者GUI:Main Menu >
    Solution > Define Loads > Apply > Functions > Read file

當然，在使用函數邊界條件之前，用戶應該了解以下一些要點。

當用戶的數據能夠方便地用表格表示時，推薦用戶使用表格邊界條件。

用戶不能通過函數邊界條件來避免一些限制性邊界條件，并且這些函數對應的初始變量是被表格邊界條件支持的。

在表格中，函數呈現等式的形式而不是一系列的離散數值。

同樣，當使用函數工具時，用戶還必須熟悉如下幾個特定的情況。

函數：一系列方程定義了高級邊界條件。

初始變量：在求解過程中被使用和評估的獨立變量。

域：以單一的域變量為特征的操作范圍或設計空間的一部分。域變量在整個域中是連續的，每個域包含一個唯一的方程來評估函數。

域變量：支配方程用于函數的評估而定義的變量。

方程變量：在方程中用戶指定的一個變量，此變量在函數裝載過程中被賦值。

1．函數編輯器的使用

函數編輯器定義了域和方程。用戶通過一系列的初始變量、方程變量和數學函數來建立方程。用戶能夠創建一個單一的等式，也可以創建包含一系列方程等式的函數，而這些方程等式對應于不同的域。

使用函數編輯器的步驟如下。

（1）打開函數編輯器（GUI:Utiltity Menu > Parameters > Functions > Define/Edit或者Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Functions > Define/Edit）。

（2）選擇函數類型。選擇單一方程或者一個復合函數。如果用戶選擇后者，則必須輸入域變量的名稱。當用戶選擇復合函數時，6個域標簽被激活。

（3）選擇degrees或者radians。這個選擇僅僅決定了方程如何被評估，對命令*AFUN沒有任何影響。

（4）定義結果方程或者使用初始變量和方程變量來描述域變量的方程。如果用戶定義一個單一方程的函數，則跳到第（10）步。

（5）選擇第一個域標簽，輸入域變量的最小值和最大值。

（6）在此域中定義方程。

（7）選擇第二個域標簽（注意，第二個域變量的最小值已被賦值，且不能被改變，這樣就保證了整個域的連續性）輸入域變量的最大值。

（8）在此域中定義方程。

（9）重復前面步驟直到最后一個域。

（10）對函數進行注釋。選擇編輯器菜單欄中的Editor > Comment命令，輸入用戶對函數的注釋。

（11）保存函數。選擇編輯器菜單欄中的Editor > Save命令并輸入文件名，文件名必須以．func為后綴名。

一旦函數被定義且保存了，用戶可以在任何一個ANSYS分析中使用這些函數。為了使用這些函數，用戶必須裝載它們并對方程變量進行賦值，同時賦予其表格參數名稱是為了在特定的分析中使用它們。

2．函數裝載器的使用

當用戶在分析中準備對方程變量進行賦值、對表格參數指定名稱和使用函數時，需要把函數裝入函數裝載器中，其步驟如下。

（1）打開函數裝載器（GUI:Utility Menu > Parameters > Functions > Read from file）。

（2）打開用戶保存函數的目錄，選擇正確的文件并打開。

（3）在函數裝載對話框中，輸入表格參數名。

（4）在對話框的底部，用戶將看到一個函數標簽和構成函數的所有域標簽及每個指定方程變量的數據輸入區，在其中輸入合適的數值。

注意：在函數裝載對話框中，僅數值數據可以作為常數值，而字符數據和表達式不能被作為常數值。

（5）重復每個域的過程。

（6）單擊保存。直到用戶已經為函數中每個域中的所有變量賦值后，才能以表格參數的形式來保存。

注意：函數作為一個代碼方程被制成表格，在ANSYS中，當表格被評估時，這種代碼方程才起作用。

3．圖形或列表顯示邊界條件函數

用戶可用圖形顯示定義的函數，可視化當前的邊界條件函數，還可以列表顯示方程的結果。通過這種方式，可以檢驗用戶定義的方程是否和用戶所期待的一樣。無論圖形顯示還是列表顯示，用戶都需要先選擇一個要圖形顯示其結果的變量，并且必須設置其X軸的范圍和圖形顯示點的數量。