ANSYS Workbench中的载荷和约束施加方法及类型

载荷和约束是有限元分析计算的边界条件，Mechanical中有4种类型的载荷：惯性载荷、结构载荷、结构约束和热载荷，见表5-1。

✧ 惯性载荷：包括加速度和旋转速度。惯性载荷施加在整个模型上，因为要进行惯性力计算，所以必须输入材料的密度。

✧ 结构载荷：也称为集中力和压力，指施加在系统部件上的力或力矩。

✧ 结构约束：限制结构的一个或多个自由度，使结构的移动限制在一定范围内。

✧ 热载荷：也称为温度载荷，热载荷会产生一个温度场，使模型中发生热膨胀或热传导。

表5-1 结构分析中的载荷和约束

在ANSYS Workbench中载荷和约束施加方法有两种：Components（分量方式）和Vector（矢量方式）。

✧ Components（分量方式）：按分量形式定义时需要输入结构载荷X、Y、Z方向分量的数值，由3个分量确定载荷的大小和方向，如图5-14所示。定义数值时可采用全局坐标系或用户自己创建的坐标系。

图5-14 分量方式

✧ Vector（矢量方式）：按矢量定义时，要先选择几何体，施加载荷的方向由几何体决定，大小在【Magnitude】框中输入，选择【Direction】项后的【Click to Change】选项，将在图形窗口显示按钮，单击可改变矢量的方向，如图5-15所示。

图5-15 矢量方式

提示：选择几何体为平面时，载荷矢量方向垂直于平面；几何体为圆柱面时，载荷矢量沿圆柱面的轴线方向；几何体为直边时，载荷矢量沿直边方向；几何体为圆柱面边缘时，载荷矢量垂直于圆柱面边缘；选择两个角点时，载荷矢量沿两点连线方向。

（1）惯性载荷

✧ Acceleration（加速度）：加速度以长度比上时间的平方为单位作用在整个模型上。由于加速度施加到系统上，惯性将阻止速度所产生的变化，因此惯性力的方向与所施加的加速度方向相反。加速度可通过定义分量或矢量进行施加，如图5-16所示。

图5-16 加速度

✧ Standard Earth Gravity（重力加速度）：重力加速度作为一个特殊的加速度载荷存在，

其大小为9.80665m/s²。重力加速度方向总是沿着总体坐标系的某一个轴，不需要定

义与其相反的方向得到重力作用力，如图5-17所示。

图5-17 重力加速度

✧ Rotational Velocity（角速度）：角速度作为一个可实现的惯性载荷，用于定义整个模型围绕一根轴在给定的速度下旋转，也可以通过分量来定义角速度，如图5-18所示。

图5-18 角速度

提示：由于模型围绕轴旋转，因此需要选择轴线，默认转速需要输入每秒转过的弧度，可通过【Units】下拉菜单中的【RPM】命令设置为每分钟转速。

（2）结构载荷

✧ Pressure（压力）：压力只能施加在面上且通常与表面的法向一致，指向面内为正（例如压缩），负值代表从表面出来（例如抽气），如图5-19所示。压力也可以按分量形式施加，压力的单位为单位面积上的力。

图5-19 压力

✧ Hydrostatic Pressure（静水压力）：静水压力是指施加在面上的沿坐标轴方向变化的压力，用于模拟流体对容器的压力作用。施加静水压力时，需要指定流体密度、静水加速度（注意方向与实际方向相反）和流体液面位置，如图5-20所示。

✧ Force（力）：力可施加在结构的点、边或面上，如图5-21所示。施加到面上的力将均匀分布到所选对象上，如一个力施加到两个相同的表面上，每个表面将承受这个力的一半。力可通过定义矢量、大小以及分量来施加。

✧ Remote Force（远端力）：远端力是指在几何体的点、边、面上施加一个远离的集中力载荷，相当于施加一个同样大小的集中力和一个因为力偏置产生的力矩，该载荷需要指定力作用点的位置，如图5-22所示。

图5-20 静水压力

(www.xing528.com)

图5-21 力

图5-22 远端力

✧ Bearing Load（轴承载荷）：轴承载荷仅适用于施加在圆柱表面上，其径向分量将根据投影面积来分布压力载荷，周向分量沿圆周均匀分布，无轴向分量，如图5-23所示。一个圆柱表面只能施加一个轴承载荷，如果一个圆柱表面切分为两个部分，那么在施加轴承载荷的时候一定要保证这两个柱面都被选中。轴承载荷可通过矢量和大小或者分量来定义。

图5-23 轴承载荷

✧ Bolt Pretension（螺栓预紧载荷）：螺栓预紧载荷可在圆柱面、线体的边、单个体或多个体上施加预紧载荷以模拟螺栓连接，如图5-24所示。如果在一个体上施加螺栓预紧载荷，则需要指定一个已定义好的坐标系，预紧载荷作用在该坐标系的原点且方向与坐标系的Z轴方向一致，所选择的坐标系可以是全局坐标系或自定义的局部坐标系。

图5-24 螺栓预紧载荷

✧ Moment（力矩）：力矩可在点、线或面上施加力矩，如图5-25所示。对于实体，力矩可以施加在任意表面，假如选择了多个表面，那么力矩将分摊在这些表面上。力矩可以用矢量及其大小或者分量来定义，当用矢量表示时，其遵守右手法则。在实体表面，力矩也可以施加在顶点或边缘，这与通过矢量或分量定义的以表面为基础的力矩类似。

图5-25 力矩

✧ Line Pressure（线压力）：线压力只用于三维分析中，它以载荷密度的形式在边上施加一个分布载荷，单位为力/长度，大小和方向的定义可以按照矢量、分量及切向，也可以定义时间和空间的分布载荷，如图5-26所示。

图5-26 线压力

✧ Thermal Condition（热条件）热条件可在结构分析和热分析中插入已知的温度边界条件，如图5-27所示。结构分析中指定热膨胀系数并施加温度载荷后计算热应变，热应变本身不会引起应力，但当约束、温度梯度或热膨胀系数不相匹配时会产生应力。

图5-27 热条件

（3）结构约束

✧ Fixed Support（固定约束）：固定约束约束点、线、面的所有自由度为零，如图5-28所示。对于实体限制X、Y和Z方向上的移动；对于面体和线体限制X、Y和Z方向上的移动和绕各轴的转动。

图5-28 固定约束

✧ Displacement（位移）：位移约束是在选择的点、线、面上施加已知线性位移，输入0代表此方向上已被约束，不设定某个方向的值意味着实体在这个方向上自由运动，如图5-29所示。

图5-29 位移约束

✧ Remote Displacement（远端位移）：远端位移用于在远端加载平动和旋转位移，如图5-30所示。需要通过点或输入坐标值定义远端的定位点，默认位置为几何模型的质心，可用局部坐标系或整体坐标系，通过局部坐标系来施加转角。

图5-30 远端位移

✧ Frictionless Support（无摩擦约束）：无摩擦约束是在几何体表面上施加法向约束，如图5-31所示。对于实体，这个约束可用于施加一个对称边界条件来实现，因为对称面等同于法向约束。

图5-31 无摩擦约束

✧ Cylindrical Support（圆柱面支撑）：圆柱面约束是指施加在圆柱表面上的轴向、径向或者切向（圆周方向）约束，如图5-32所示。该约束仅适用于小变形（线性）分析。

图5-32 圆柱面约束

✧ Elastic Support（弹性支撑）：弹性支撑允许面或边根据弹簧形位产生移动或形变，弹性支撑基于定义的基础刚度【Foundation Stiffness】，以及产生基础单位法向变形的压力值来定义，如图5-33所示。

图5-33 弹性支撑