4.5 施加载荷和约束

载荷和约束是Mechanical求解计算的边界条件，它们是以所选单元自由度的形式定义的。

在Mechanical中提供了4种类型的约束载荷。

● 惯性载荷：专指施加在定义好的质量点上的力（Point Masses），惯性载荷施加在整个模型上，进行惯性计算时必须输入材料的密度。

● 结构载荷：指施加在系统零部件上的力或力矩。

● 结构约束：限制部件在某一特定区域内移动的约束，也就是限制部件的一个或多个自由度。

● 热载荷：施加热载荷时系统会产生一个温度场，使模型中发生热膨胀或热传导，进而在模型中进行热扩散。

技巧提示

4.5.1 施加载荷

利用ANSYS Mechanical进行结构分析时，需要施加的载荷有多种，下面选择较为常见的进行介绍，其他在实际工程中用到的载荷请查阅相关的帮助文件。

惯性载荷（Inertial）是通过施加加速度实现的，加速度是通过惯性力施加到结构上的，惯性力的方向与所施加的加速度方向相反，它包括加速度（线性）、重力加速度及旋转速度等，如图4-22所示。

1．惯性载荷

● 加速度：该加速度指的是线性加速度，单位为长度比上时间的平方，它施加在整个模型上，可以定义为分量或矢量的形式。

● 重力加速度：重力加速度的方向定义为整体坐标系或局部坐标系中的一个坐标轴方向。

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● 旋转速度：指整个模型以给定的速率绕旋转轴转动，它可以以分量或矢量的形式定义，输入的单位可以是弧度每秒（默认选项），也可以是度每秒。

2．力载荷

在Mechanical中，力载荷集成到结构分析的Loads（载荷）下拉菜单中，它是进行结构分析所必备的，掌握各载荷的施加特点才能更好地将其应用到结构分析中去，力载荷的施加菜单如图4-23所示。

● 压力：该载荷以与面正交的方向施加在面上，指向面内为正，反之为负，单位是单位面积的力。

● 静水压力：该载荷表示在面（实体或壳体）上施加一个线性变化的力，模拟结构上的流体载荷。流体可能处于结构内部，也可能处于结构外部。

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● 集中力：集中力可以施加在点、边或面上。它将均匀地分布在所有实体上，单位是质量与长度的乘积比上时间的平方。可以以矢量或分量的形式定义集中力。

● 远程载荷：是指给实体的面或边施加一个远离的载荷。施加该载荷时需要指定载荷的原点（附着于几何上或用坐标指定），该载荷可以以矢量或分量的形式定义。

● 轴承负载（集中力）：是指使用投影面的方法将力的分量按照投影面积分布在压缩边上。轴承负载可以以矢量或分量的形式定义。

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● 螺栓预紧力：是指给圆柱形截面施加预紧力，以模拟螺栓连接，包括预紧力（集中力）或调整量（长度）。在使用该载荷时需要给物体在某一方向上的预紧力指定一个局部坐标系。

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● 力矩载荷：对于实体，力矩只能施加在面上，如果选择了多个面，力矩则均匀分布在多个面上；对于面，力矩可以施加在点上、边上或面上。当以矢量形式定义时遵守右手螺旋法则。力矩的单位是力乘以距离。线压力：线压力只能用于三维模拟中，它是通过载荷密度形式给一个边上施加一个分布载荷。

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技巧提示

在Workbench中的载荷还有及等，它们在应用中出现的概率较小，这里不再赘述，想了解它们的作用及施加方法，请查阅Workbench帮助等相关资料。

3．热载荷

热载荷用于在结构分析中施加一个均匀的温度载荷，施加该载荷时必须制定一个参考温度。由于温度差的存在，会在结构中导致热膨胀或热传导。

4.5.2 施加约束

在模型中除了要施加载荷外，还要施加约束，约束有的时候也称为边界条件，常见的约束如图4-24所示。其他在实际工程中用到的载荷请查阅相关的帮助文件。

● 固定约束：用于限制点、边或面的所有自由度，对于实体而言，将限制x、y、z方向上的移动；对于面体和线体而言，将限制x、y、z方向上的移动和绕各轴的转动。

● 位移约束：用于在点、边或面上施加已知位移，该约束允许给出x、y、z方向上的平动位移（在自定义坐标系下），当为0时表示该方向是受限的，当空白时表示该方向自由。

● 弹性约束：该约束允许在面、边界上模拟类似弹簧的行为，基础的刚度为使基础产生单位法向偏移所需要的压力。

● 无摩擦约束：用于在面上施加法向约束（固定），对实体而言可用于模拟对称边界约束。

● 圆柱面约束：该约束为轴向、径向或切向约束提供单独的控制，通常施加在圆柱面上。

● 仅有压缩的约束：该约束只能在正常压缩方向上施加约束，它可以用来模拟圆柱面上受销钉、螺栓等的作用，求解时需要进行迭代（非线性）。

● 简单约束：可以将其施加在梁或壳体的边缘或者顶点上，用来限制平移，但是允许旋转并且所有的旋转都是自由的。

● 转动约束：可以施加在壳或梁的表面、边缘或者顶点上。与简单约束相反，它用来约束旋转，但是不限制平移。

在Workbench中的约束还有及等，它们在应用中出现的概率较小，这里不再赘述，若想了解它们的作用及施加方法，请查阅Workbench帮助等相关资料。