4.5 施加載荷和約束

載荷和約束是Mechanical求解計算的邊界條件，它們是以所選單元自由度的形式定義的。

在Mechanical中提供了4種類型的約束載荷。

● 慣性載荷：專指施加在定義好的質量點上的力（Point Masses），慣性載荷施加在整個模型上，進行慣性計算時必須輸入材料的密度。

● 結構載荷：指施加在系統零部件上的力或力矩。

● 結構約束：限制部件在某一特定區域內移動的約束，也就是限制部件的一個或多個自由度。

● 熱載荷：施加熱載荷時系統會產生一個溫度場，使模型中發生熱膨脹或熱傳導，進而在模型中進行熱擴散。

技巧提示

4.5.1 施加載荷

利用ANSYS Mechanical進行結構分析時，需要施加的載荷有多種，下面選擇較為常見的進行介紹，其他在實際工程中用到的載荷請查閱相關的幫助文件。

慣性載荷（Inertial）是通過施加加速度實現的，加速度是通過慣性力施加到結構上的，慣性力的方向與所施加的加速度方向相反，它包括加速度（線性）、重力加速度及旋轉速度等，如圖4-22所示。

1．慣性載荷

● 加速度：該加速度指的是線性加速度，單位為長度比上時間的平方，它施加在整個模型上，可以定義為分量或矢量的形式。

● 重力加速度：重力加速度的方向定義為整體坐標系或局部坐標系中的一個坐標軸方向。

技巧提示

● 旋轉速度：指整個模型以給定的速率繞旋轉軸轉動，它可以以分量或矢量的形式定義，輸入的單位可以是弧度每秒（默認選項），也可以是度每秒。

2．力載荷

在Mechanical中，力載荷集成到結構分析的Loads（載荷）下拉菜單中，它是進行結構分析所必備的，掌握各載荷的施加特點才能更好地將其應用到結構分析中去，力載荷的施加菜單如圖4-23所示。

● 壓力：該載荷以與面正交的方向施加在面上，指向面內為正，反之為負，單位是單位面積的力。

● 靜水壓力：該載荷表示在面（實體或殼體）上施加一個線性變化的力，模擬結構上的流體載荷。流體可能處于結構內部，也可能處于結構外部。

技巧提示

● 集中力：集中力可以施加在點、邊或面上。它將均勻地分布在所有實體上，單位是質量與長度的乘積比上時間的平方。可以以矢量或分量的形式定義集中力。

● 遠程載荷：是指給實體的面或邊施加一個遠離的載荷。施加該載荷時需要指定載荷的原點（附著于幾何上或用坐標指定），該載荷可以以矢量或分量的形式定義。

● 軸承負載（集中力）：是指使用投影面的方法將力的分量按照投影面積分布在壓縮邊上。軸承負載可以以矢量或分量的形式定義。

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● 螺栓預緊力：是指給圓柱形截面施加預緊力，以模擬螺栓連接，包括預緊力（集中力）或調整量（長度）。在使用該載荷時需要給物體在某一方向上的預緊力指定一個局部坐標系。

技巧提示

● 力矩載荷：對于實體，力矩只能施加在面上，如果選擇了多個面，力矩則均勻分布在多個面上；對于面，力矩可以施加在點上、邊上或面上。當以矢量形式定義時遵守右手螺旋法則。力矩的單位是力乘以距離。線壓力：線壓力只能用于三維模擬中，它是通過載荷密度形式給一個邊上施加一個分布載荷。

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技巧提示

在Workbench中的載荷還有及等，它們在應用中出現的概率較小，這里不再贅述，想了解它們的作用及施加方法，請查閱Workbench幫助等相關資料。

3．熱載荷

熱載荷用于在結構分析中施加一個均勻的溫度載荷，施加該載荷時必須制定一個參考溫度。由于溫度差的存在，會在結構中導致熱膨脹或熱傳導。

4.5.2 施加約束

在模型中除了要施加載荷外，還要施加約束，約束有的時候也稱為邊界條件，常見的約束如圖4-24所示。其他在實際工程中用到的載荷請查閱相關的幫助文件。

● 固定約束：用于限制點、邊或面的所有自由度，對于實體而言，將限制x、y、z方向上的移動；對于面體和線體而言，將限制x、y、z方向上的移動和繞各軸的轉動。

● 位移約束：用于在點、邊或面上施加已知位移，該約束允許給出x、y、z方向上的平動位移（在自定義坐標系下），當為0時表示該方向是受限的，當空白時表示該方向自由。

● 彈性約束：該約束允許在面、邊界上模擬類似彈簧的行為，基礎的剛度為使基礎產生單位法向偏移所需要的壓力。

● 無摩擦約束：用于在面上施加法向約束（固定），對實體而言可用于模擬對稱邊界約束。

● 圓柱面約束：該約束為軸向、徑向或切向約束提供單獨的控制，通常施加在圓柱面上。

● 僅有壓縮的約束：該約束只能在正常壓縮方向上施加約束，它可以用來模擬圓柱面上受銷釘、螺栓等的作用，求解時需要進行迭代（非線性）。

● 簡單約束：可以將其施加在梁或殼體的邊緣或者頂點上，用來限制平移，但是允許旋轉并且所有的旋轉都是自由的。

● 轉動約束：可以施加在殼或梁的表面、邊緣或者頂點上。與簡單約束相反，它用來約束旋轉，但是不限制平移。

在Workbench中的約束還有及等，它們在應用中出現的概率較小，這里不再贅述，若想了解它們的作用及施加方法，請查閱Workbench幫助等相關資料。