4.2 施加载荷

用户可以将大多数载荷施加于实体模型（如关键点、线和面）上或有限元模型（节点和单元）上。用户施加于实体模型上的载荷称为实体模型载荷，而直接施加于有限元模型上的载荷称为有限单元载荷。例如，可在关键点或节点施加指定集中力。同样地，可以在线和面或在节点和单元面上指定对流（和其他表面载荷）。无论怎样指定载荷，求解器期望所有载荷应依据有限元模型。因此，如果将载荷施加于实体模型，在开始求解时，程序会自动将这些载荷转换到节点和单元上。

4.2.1 载荷分类

本节主要讨论如何施加DOF约束、集中力、表面载荷、体积载荷、惯性载荷和耦合场载荷。

1.DOF约束

如表4-1所示为每个学科中可被约束的自由度和相应的ANSYS标识符。标识符（如UX、ROTZ、AY等）所包含的任何方向都在节点坐标系中。

表4-1 每个学科中可用的DOF约束

如表4-2所示为施加、列表显示和删除DOF约束的命令。需要注意的是，可以将约束施加于节点、关键点、线和面上。

表4-2 DOF约束的命令

下面是一些可用于施加DOF约束的GUI路径的例子。

          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所示为每个学科中可用的集中载荷和相应的ANSYS标识符。标识符（如FX、MZ和CSGY等）所包含的任何方向都在节点坐标系中。

表4-3 每个学科中的集中力

如表4-4所示为施加、列表显示和删除集中载荷的命令。需要注意的是，可以将集中载荷施加于节点和关键点上。

表4-4 用于施加集中力载荷的命令

下面是一些用于施加集中力载荷的GUI路径的例子。

          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．表面载荷

如表4-5所示为每个学科中可用的表面载荷和相应的ANSYS标识符。

表4-5 每个学科中可用的表面载荷

如表4-6所示为施加、列表显示和删除表面载荷的命令。需要注意的是，不仅可以将表面载荷施加在线和面上，还可以施加于节点和单元上。

表4-6 用于施加表面载荷的命令

下面是一些用于施加表面载荷的GUI路径的例子。

          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程序根据单元和单元面存储在节点上指定面的载荷。因此，如果对同一表面使用节点面载荷命令和单元面载荷命令，则使用帮助文件中ANSYS Commands Reference的规定。

4．体积载荷

如表4-7所示为每个学科中可用的体积载荷和相应的ANSYS标识符。

表4-7 每个学科中可用的体积载荷

如表4-8所示为施加、列表显示和删除表面载荷的命令。需要注意的是，可以将体积载荷施加在节点、单元、关键点、线、面和体上。

表4-8 用于施加体积载荷的命令

下面是一些用于施加体积载荷的GUI路径的例子。

          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．惯性载荷

施加惯性载荷的命令如表4-9所示。

表4-9 惯性载荷命令

注意：没有用于列表显示或删除惯性载荷的专门命令。要想列表显示惯性载荷，可执行STAT，INRTIA（Utility Menu > List > Status > Soluion > Inerti Loads）命令。要去除惯性载荷，只要将载荷值设置为0。可以将惯性载荷设置为0，但是不能删除惯性载荷。对逐步上升的载荷步，惯性载荷的斜率为0。

ACEL、OMEGA和DOMEGA命令分别用于指定在整体笛卡尔坐标系中的加速度、角速度和角加速度。

注意：ACEL命令用于对物体施加加速场（非重力场）。因此，要施加作用于负Y方向的重力，应指定一个和正Y方向的加速度。

使用CGOMGA和DCGOMG命令指定旋转物体的角速度和角加速度，该物体本身正相对于另一个参考坐标系旋转。CGLOC命令用于指定参照系相对于整体笛卡儿坐标系的位置。例如，在静态分析中，为了考虑Coriolis效果，可以使用这些命令。

惯性载荷当模型具有质量时有效。惯性载荷通常是通过指定密度来施加的（还可以通过使用质量单元，如MASS21对模型施加质量，但通过密度的方法施加惯性载荷更常用、更有效）。对其他数据，ANSYS程序要求质量为恒定单位。如果习惯于英制单位，为了方便起见，有时希望使用重量密度（lb/in3）来代替质量密度（lb-sec2/in/in3）。

只有在下列情况下可以使用重量密度来代替质量密度。

模型仅用于静态分析。

没有施加角速度或角加速度。

重力加速度为单位值（g=1.0）。

为了能够以“方便的”重力密度形式或以“一致的”质量密度形式使用密度，指定密度的一种简便的方法是将重力加速度g定义为参数，如表4-10所示。

表4-10 指定密度的方式

6．耦合场载荷

在耦合场分析中，通常包含将一个分析中的结果数据施加于第二个分析中作为第二个分析的载荷。例如，可以将热力分析中计算的节点温度施加于结构分析（热应力分析）中，作为体积载荷。同样，可以将磁场分析中计算的磁力施加于结构分析中，作为节点力。要施加这样的耦合场载荷，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 轴对称载荷与反作用力

对约束、表面载荷、体积载荷和Y方向加速度，可以像对任何非轴对称模型上定义载荷一样来精确地定义这些载荷。然而，对集中载荷的定义，过程有所不同。因为这些载荷大小、输入的力、力矩等数值是在360°范围内进行的，即根据沿周边的总载荷输入载荷值。例如，如果1500磅/单位英寸沿周边的轴对称轴向载荷被施加到直径为10英寸的管上（如图4-5所示）,47124lb（1500×2π× 5=47124）的总载荷将按下列方法被施加到节点N上：F, N, FY,47124。

图4-5 在360°范围内定义集中轴对称载荷

轴对称结果也按对应的输入载荷相同的方式解释，即输出的反作用力、力矩等按总载荷（360°）计。

轴对称协调单元要求其载荷表示成傅里叶级数形式来施加。对这些单元，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），以及其他载荷命令（D、F、SF等）。

注意：一定要指定足够数量的约束防止产生不期望的刚体运动、不连续或奇异性。例如，对实心杆这样的实体结构的轴对称模型，缺少沿对称轴的UX约束，在结构分析中，就可能形成虚位移（不真实的位移），如图4-6所示。

图4-6 实体轴对称结构的中心约束

4.2.3 利用表格施加载荷

通过一定的命令和菜单路径，用户能够利用表格参数来施加载荷，即通过指定列表参数名来代替指定特殊载荷的实际值。然而，并不是所有的边界条件都支持这种制表载荷，因此，用户在使用表格施加载荷时一般先参考一定的文件来确定指定的载荷是否支持表格参数。

注意：当用户使用命令来定义载荷时，必须使用%表格名%格式。例如，当确定描述对流值表格时，有如下命令表达式：

            SF, all, conv, %sycnv%, tbulk

在施加载荷的同时，用户可以通过选择new table选项定义新的表格。同样，用户在施加载荷之前还可以通过如下方式之一来定义表格。

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

1．定义初始变量

当用户定义一个列表参数表格时，根据不同的分析类型，可以定义各种各样的初始参数。如表4-11所示为不同分析类型的边界条件、初始变量及对应的命令。

表4-11 边界条件类型及其相应的初始变量

单元SURF151、SURF152和单元FLUID116的实常数与初始变量相关联，如表4-12所示。

表4-12 实常数与相应的初始变量

2．定义独立变量

当用户需要指定不同于列表显示的初始变量时，可以定义一个独立的参数变量。当用户指定独立参数变量的同时，定义了一个附加表格来表示独立参数，这个表格必须与独立参数变量同名，并且同时是一个初始变量或者另外一个独立参数变量的函数。用户能够定义许多必需的独立参数，但是所有的独立参数必须与初始变量有一定的关系。

例如，考虑一对流系数（HF），其变化为旋转速率（RPM）和温度（TEMP）的函数。此时，初始变量为TEMP，独立参数变量为RPM，而RPM是随着时间的变化而变化。因此，用户需要两个表格，一个关联RPM与TIME，另一个关联HF与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．表格参数操作

用户可以通过如下方式对表格进行一定的数学运算，如加法、减法与乘法。

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

注意：两个参与运算的表格必须具有相同的尺寸，每行、每列的变量名必须相同等。

4．确定边界条件

当用户利用列表参数来定义边界条件时，可以通过如下5种方式检验其是否正确。

检查输出窗口。当用户使用制表边界条件于有限单元或实体模型时，于输出窗口显示的是表格名称而不是一定的数值。

列表显示边界条件。当用户在前处理过程中列表显示边界条件时，列表显示表格名称；而当用户在求解或后处理过程中列表显示边界条件时，显示的却是位置或时间。

检查图形显示。在制表边界条件运用的地方，用户可以通过标准的ANSYS图形显示功能（/PBC, /PSF等）显示出表格名称和一些符号（箭头），当然前提是表格编号显示处于工作状态（/PNUM, TABNAM, ON）。

在通用后处理中检查表格的代替数值。

通过命令*STATUS或者GUI菜单路径（Utility Menu > List > Other > Parameters）可以重新获得任意变量结合的表格参数值。

4.2.4 利用函数施加载荷和边界条件

用户可以通过一些函数工具对模型施加复杂的边界条件。函数工具包括两个部分，一部分是函数编辑器，用于创建任意的方程或者多重函数；另一部分是函数装载器，用于获取创建的函数并制成表格。用户可以分别通过以下两种方式进入函数编辑器和函数装载器。

          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

当然，在使用函数边界条件之前，用户应该了解以下一些要点。

当用户的数据能够方便地用表格表示时，推荐用户使用表格边界条件。

用户不能通过函数边界条件来避免一些限制性边界条件，并且这些函数对应的初始变量是被表格边界条件支持的。

在表格中，函数呈现等式的形式而不是一系列的离散数值。

同样，当使用函数工具时，用户还必须熟悉如下几个特定的情况。

函数：一系列方程定义了高级边界条件。

初始变量：在求解过程中被使用和评估的独立变量。

域：以单一的域变量为特征的操作范围或设计空间的一部分。域变量在整个域中是连续的，每个域包含一个唯一的方程来评估函数。

域变量：支配方程用于函数的评估而定义的变量。

方程变量：在方程中用户指定的一个变量，此变量在函数装载过程中被赋值。

1．函数编辑器的使用

函数编辑器定义了域和方程。用户通过一系列的初始变量、方程变量和数学函数来建立方程。用户能够创建一个单一的等式，也可以创建包含一系列方程等式的函数，而这些方程等式对应于不同的域。

使用函数编辑器的步骤如下。

（1）打开函数编辑器（GUI:Utiltity Menu > Parameters > Functions > Define/Edit或者Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Functions > Define/Edit）。

（2）选择函数类型。选择单一方程或者一个复合函数。如果用户选择后者，则必须输入域变量的名称。当用户选择复合函数时，6个域标签被激活。

（3）选择degrees或者radians。这个选择仅仅决定了方程如何被评估，对命令*AFUN没有任何影响。

（4）定义结果方程或者使用初始变量和方程变量来描述域变量的方程。如果用户定义一个单一方程的函数，则跳到第（10）步。

（5）选择第一个域标签，输入域变量的最小值和最大值。

（6）在此域中定义方程。

（7）选择第二个域标签（注意，第二个域变量的最小值已被赋值，且不能被改变，这样就保证了整个域的连续性）输入域变量的最大值。

（8）在此域中定义方程。

（9）重复前面步骤直到最后一个域。

（10）对函数进行注释。选择编辑器菜单栏中的Editor > Comment命令，输入用户对函数的注释。

（11）保存函数。选择编辑器菜单栏中的Editor > Save命令并输入文件名，文件名必须以．func为后缀名。

一旦函数被定义且保存了，用户可以在任何一个ANSYS分析中使用这些函数。为了使用这些函数，用户必须装载它们并对方程变量进行赋值，同时赋予其表格参数名称是为了在特定的分析中使用它们。

2．函数装载器的使用

当用户在分析中准备对方程变量进行赋值、对表格参数指定名称和使用函数时，需要把函数装入函数装载器中，其步骤如下。

（1）打开函数装载器（GUI:Utility Menu > Parameters > Functions > Read from file）。

（2）打开用户保存函数的目录，选择正确的文件并打开。

（3）在函数装载对话框中，输入表格参数名。

（4）在对话框的底部，用户将看到一个函数标签和构成函数的所有域标签及每个指定方程变量的数据输入区，在其中输入合适的数值。

注意：在函数装载对话框中，仅数值数据可以作为常数值，而字符数据和表达式不能被作为常数值。

（5）重复每个域的过程。

（6）单击保存。直到用户已经为函数中每个域中的所有变量赋值后，才能以表格参数的形式来保存。

注意：函数作为一个代码方程被制成表格，在ANSYS中，当表格被评估时，这种代码方程才起作用。

3．图形或列表显示边界条件函数

用户可用图形显示定义的函数，可视化当前的边界条件函数，还可以列表显示方程的结果。通过这种方式，可以检验用户定义的方程是否和用户所期待的一样。无论图形显示还是列表显示，用户都需要先选择一个要图形显示其结果的变量，并且必须设置其X轴的范围和图形显示点的数量。