节点坐标系：很多Workbench结构用户不知道的重要概念

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了在ANSYS结构分析中，有限元模型的节点坐标系的概念及其应用。节点坐标系是一个固有属性，可以根据需要将节点坐标系转换至需要的任意局部坐标方向。文章通过三个问题来说明节点坐标系的应用场景，包括梁的倾斜支座和力的施加、圆柱面的径向、轴向和切向约束以及圆柱面上非零位移的施加。在Mechanical组件中，可以通过Nodal Orientation来实现节点坐标系的转换。

在ANSYS结构分析中，有限元模型的每个节点都有一个叫做节点坐标系的固有属性，并可以根据需要将节点坐标系转换至需要的任意局部坐标方向。那么为什么相当多的Workbench结构分析用户没听说过这个概念呢？这可能是因为在Mechanical组件中进行前处理时经常采用基于几何对象的直观操作，几乎不直接涉及到有限元模型。直到在比较新的ANSYS版本中，Mechanical组件中才新增了针对有限元模型的操作。

那么在什么情况下需要用到节点坐标系呢？来看下面的三个问题。

第一个问题如下图所示，梁的右端节点需要施加135度方向的倾斜支座以及45度方向的力。

对于这个问题，可以通过Mechanical组件中的Nodal Orientation来实现。

首先定义一个相对总体坐标绕Z轴旋转45度的局部坐标系，如上图所示。然后把右端节点坐标系定位到局部坐标系。这样，对于右端节点，45度和135度方向分别对应X和Y方向，然后施加Y方向节点位移和X方向节点力即可。

再来看第二个问题，在Mechanical组件中有一个Cylindrical约束，可以约束圆柱面的径向、轴向以及切向的任意一个、两个或三个方向，如下图所示。

这个Cylindrical约束表面上是针对圆柱面的，但在实际上，ANSYS内部自动定义了局部的柱坐标系，并且把圆柱面的节点都转换到了圆柱坐标系方向。此外，施加于圆柱面的Frictionless Support也涉及到约束圆柱面任意一点的径向，内部实际上也涉及到了节点坐标转换的问题。

在Cylindrical Support的基础之上，我们再来看第三个问题。

Cylindrical Support可以对圆柱面施加局部坐标方向的约束了，但如果需要施加非零位移，比如在圆柱面上施加一个径向的位移，那么就无法直接引用Cylindrical Support，而需要用户自行定义并转换节点坐标系。

如下图所示为一个圆筒，内、外直径分别为0.8m和1.0m，轴向长度2.0m，外表面施加一个径向的压缩位移5mm，这如何来操作呢？实现的方法如下：

第一步，建立一个与圆柱体同轴的局部的圆柱坐标系。

第二步，选择外表面形成Named Selection。

第三步，添加新的Named Selection并选择Worksheet方式，通过Convert方法将表面集 合转换为节点集 合。

第四步，对外表面节点组成的Named Selection施加Nodal Orientation，转换节点坐标至第一步定义的局部柱坐标系。

第五步，对外表面节点Named Selection施加Nodal Displacement，并在X方向上指定具体的位移约束即可。

当然，计算之前还需指定其他的约束，比如内表面施加径向位移为0的圆柱面Cylindrical约束，再打开Weak Spring选项，即可计算。

计算完成后，查看Directional Deformation，其Details中选择Coordinate System为局部柱坐标，并选择X方向变形，得到圆筒径向变形如下图所示，图中显示了变形前的轮廓作为比较。

由变形云图可以看出，整个圆柱筒为径向的均匀压缩而轴向均匀伸长的变形状态，表明径向位移得到了正确的施加。

注：本文原发于微 信公 众号：洞察FEA

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