【软件操作】十问十答系列之载荷位移约束施加技巧

【惯性载荷】：这些载荷作用在整个系统中，和结构的质量有关，因此施加惯性载荷的时候需要输入密度特性（包括加速度、重力加速度、旋转加速度），只有给惯性载荷施加密度以后才具备载荷特性，切记力与加速度的方向是相反的，如考虑自重的影响，重力向下，若以加速度来施加需向上方向；

【结构载荷】：指作用在系统部分结构上的力或者力矩（包括压力、力、液柱静压力、远端力、螺栓载荷、力矩）；力和力矩的施加则可通过“Define By Components”（组分施加方法，分别定义x y z三个方向的力大小）或“Define By Vector”（矢量施加方法，直接施加力的总大小）来实现，Ansys经典中不能直接在面上施加力矩，而AWB则实现了可直接在面上施加弯矩，大大简化了力矩的施加方法；

【结构约束】：结构约束（包括固定约束、位移约束、无摩擦约束等），利用这些约束来防止部分范围内轴向、环向、径向、法向及切向等位移的移动，位移的施加则也可通过“Define By Normal To”（法向施加方法，只能定义选中面的法线方向的位移约束）或 “Define By Components”（组分施加方法，可分别定义x y z三个方向的位移大小）；

【热载荷】：从结构上讲，热载荷会导致温度区域生成并且在整个模型上引起热扩散（包括热对流、热传导、热辐射、完全绝热、热流率、热通量等），

热应变自身不会引起应力，而当约束、温度梯度或者热膨胀系数不相匹配是才会产生应力。热膨胀系数为单位温度下的应变，任何温度载荷都可以施加，一般压力容器温度场分析中需同时考虑介质与结构间的热对流及结构间的热传导作用，热力耦合分析通常首先进行热分析，然后在结构分析时将计算所得的温度作为热载荷输入求解热应力。

【节点载荷和位移施加】： Ansys经典界面中载荷和位移的施加都是通过在网格节点上施加的，AWB虽然可直接在线或面施加载荷和位移约束，但其根本是由软件将线或面上的载荷和位移自动转化为施加在网格节点上，AWB14.5版本以上增加了与经典界面相同的可直接在网格节点上施加载荷和位移的工具（包括Nodal Displacement，Nodal Pressure，Nodal Force）。

【方法一】：首先show mesh并通过“select mesh”选取要施加节点载荷或位移的一个节点或若干节点，然后右键“create named selection”将其命名为一个集 合，但这种方法不够灵活，比较傻瓜，精确选取比较难；

【方法二】：在线、面、体选中需要施加节点载荷或位移的线面体，然后右键“named selection”成几何集 合然后载右键通过“create nodal named selection”则可将选中的几何线、面、体上所有的网格节点定义为节点集 合，然后就可以通过“Nodal Displacement，Nodal Pressure，Nodal Force”功能在节点集 合中施加相应的节点力和节点位移等载荷或位移条件。

直接在面上施加载荷或在节点上施加载荷等效

（1）模型载荷和位移施加过程中，常需在筒体底部施加轴向、径向和环向位移约束，如一承受内压的筒体压力腔，在内压的作用下其可在径向自由膨胀，但环向不能扭曲，因而需限制其环向位移为0，径向位移则可“Free”，与实际变形情况相一致；

（2）限制轴向位移的目的是防止其产生刚体 位移，因ANSYS求解过程中采用位移法求解，如果不限制其轴向位移，则意味着微分方程求解过程中有无数个解可满足条件，则导致解的发散不收敛，因而必须限制轴向位移，这是基于其内部求解原理决定的。

（3）轴向位移和径向位移都很容易施加，而施加环向位移约束则必须先建立一个柱坐标系，然后通过Define By Components”（组分施加方法），则可分别定义x y z（其中一个方向为环向）三个方向的位移约束。

AWB中有四种方法可实现，如果要施加1000N的力，则可采用如下方法：

【Force功能】：直接选用在线或面上施加1000N的力；

【Line Pressure功能】（不能用于面力施加）：可以直接作用在线上，只是其输入值的单位是N/mm，因而需要将其除以线的长度换算成N（比如需要在线上施加1000N的力，而线周长为100mm，如果想使作用在线上总的载荷为1000N的话，则需要输入数值1000/100N/mm）；【建立集 合，施加节点力方法】：选择线或面上所有节点将其定义集 合Named Selection然后选用Nodal Force施加1000N的力；

【参考点“Remote Point”方法】：通过建立参考点Remote Point，在此参考点上施加1000N的力，然后将此参考点与要施加力的线或面实现耦合，耦合后线或面上具有与参考点上同样大小的等效力，即实现了在线或面上施加1000N的力。

如果要在一个几何点或节点上施加集中力的话，容易产生应力奇异，因此对于集中载荷作用在一点的情况下，不能直接施加，有三种方法：

【同上，建立参考点“Remote Point”方法】：将集中载荷作用在建立参考点上，并将此参考点与包含原始作用点在内的一小块面区域（注意要认为切出一小块面域）内实现耦合，防止应力奇异的发生；

【同上，建立集 合，施加节点力方法】：选择要作用的几何点或节点一小块区域内的节点创建集 合named selection，在这些节点上施加力，同样不能直接施加在一个节点上，否则会产生应力奇异；

【切面域方法】：在要作用集中载荷的几何点或节点附近切一个小面域，然后在此面域上直接施加力或位移载荷。

在点上施加集中载荷切记一个要点：绝不能在单一的几何点或节点上直接施加，而要选择在一小块面域上施加。

通过建立Remote Point将载荷施加在此点上，此种方法建立的点在AWB选择作用区域面就自动将此点与作用区域面耦合起来，耦合的意思是指作用面上的合力与合力矩与建立的remote point上施加的力和力矩是等效的，即这两种载荷施加方法从原理上是等效的，最终计算结果一样（与远程点的位置无关，只与远程点耦合作用区域有关）。同样，当载荷作用在端面上时亦可通过此两种载荷施加方法。

Remote point不具有质量属性，仅仅是一个参考点的性质，方便载荷的施加；而Point mass具有质量属性，可输入质量及X Y Z 轴的质量惯性矩，point mass的耦合方法与remote point操作一样，仅需选择耦合的面就可以了，point mass的主要功能是当无法建立一个有质量的模型时，可通过这个质量点来输入质量表示没有建立的模型；另外，point mass可通过右键promote remote point转换成point mass--remote point，转换成远程点之后其就进而可以通过这个远程点在具有质量属性的点上再施加remote force，与先建立一个point mass点，再建立一个remote point并在这个无质量属性的remote point上施加remote force的效果是等效的。此外，当质量本身不影响结构计算的时候，point mass质量的改变不会影响计算结果，仅当计算的结果与质量有很大关系的时候，才会有影响。如考虑重力加速度的时候，有质量点和无质量点的计算结果如下图：

【Rigid】：被约束区域的全部自由度都被选中，这时就像把整个被约束区域和控制点焊接在一起一样，被约束区域变为刚性的，此区域的各节点之间不会发生相对位移，只会随着控制点做刚体运动。注意，不要错误的理解为被约束区域上每个节点的位移都等于控制点的位移，例如，当控制点旋转时，被约束区域会随之旋转，这时被约束区域每个点的位移都是不同的。

【Deformable】：被约束区域随控制点运动，只是被约束区域不在是刚性的，而是柔性的，可以发生变形，Ansys将控制点上受到的力和力矩以某种方式分布到被约束区域上，对被约束区域上各节点的运动进行加权平均处理，使此区域上受到的合力和合力矩与施加在参考点上的力和力矩等效。换言之，Deformable允许被约束区域上各部分之间发生相对变形，比Rigid中的面更柔软。

压力容器分析设计模型中，常需要对模型简化，简化模型的目的是在保证求解计算精度的前提下，减小模型，减少网格和节点数量，缩短计算时间，提高计算效率，如一个模型具有1/n对称性，则分析过程中只需建立1/n的模型，在对称的边界上施加对称约束，可达到与全模型一样的求解精度，对称约束的根本就是法向位移为0，在AWB可通过两种方法实现对称约束：一是通过在“Model”中的Symmetry功能，直接定义对称面，二是通过“Supports”中的Frictionless Support功能将对称面定义为无摩擦约束，无摩擦约束的含义即为法向位移为0，即可实现对称约束。

首先在“Analysis Settings”里面设置分析步和增量步，然后要施加的载荷条件（如pressure， force，moment等）或位移条件（如displacement）均可用Tubular列表形式输入不同时间下的值，还可通过Function功能定义复杂函数。另外，可通过设置分析步时间来分时间段施加不同的载荷（如第一秒施加压力、第二秒之后才施加力矩等功能），还可通过定义Independent variable来定义表格的自变量（time, x, y, z），修改自变量后即可实现定义随时间变化或随空间坐标变化的载荷或位移边界条件。