ANSYS-第5章 施加载荷

5.1
概述
本节主要介绍载荷的定义，载荷的分类方法，载荷施加 的对象，载荷步、子步和平衡迭代，时间参数等基本概念。
5.1.1
载荷的定义
在不同的应用场合载荷有不同的定义和度量，通常将 某种能引起机械结构内力的非力学因素称为载荷。例如机械 设计中主要指施加于机械或结构上的外力；动力机械设计中 指完成工作所需的功率；电机设计中指电气装置或元件从电 源所接受的功率。在ANSYS术语中，载荷（loads）包括边 界条件和外部或内部作用力函数。
5.4.3
修改载荷
如果施加的载荷不对，则必须进行修改或者删除后重 新添加，否则会影响分析的正确性。要修改载荷步文件序号 为n的数据，执行命令LSREAD,n在文件中读取数据，作所 需的修改，然后执行LSWRITE,n命令(将覆盖序号为n的旧 文件)。还可以使用系统编辑器直接编辑载荷步文件，但这 种方法一般不推荐使用。与LSREAD命令等价的GUI菜单路 径为：Main Menu|Preprocessor|Loads|Read LS File和Main Menu|Solution|Read LS File。
5.2.1
均布温度和参考温度
进行产品的热分析时候，首先要设定温度。包括均布 温度和参考温度。均布温度是指施加载荷前，模型所有部分 有指定的统一的温度值。其主要用于热分析和相关的耦合分 析中。如果已知模型的起始温度是均匀的，可通过以下方式 设定所有节点初始温度： 命令：TUNIF。 GUI：Main Menu|Solution|Loads|Settings|Uniform Temp。
5.3.7
其他载荷
其他载荷主要包括耦合载荷和惯性载荷等。严格来说耦 合载荷并不是一种独立的载荷类型，而只是将两个分析通过 载荷的形式耦合起来。在耦合场分析中，一般都可以将一个 分析中的结果数据作为另一个分析的载荷。例如可以将热分 析中计算得到的节点温度施加到结构分析中作为体载荷。也 可以将磁场分析中计算得到的磁场力作为节点力施加到结构 分析中。 惯性载荷是指系统在惯性力作用下引起的线加速度、离 心加速度以及转动加速度等，惯性载荷只有在模型具有质量 时才有意义。因此在定义材料属性时必须首先定义其密度。 惯性载荷涉及到结构等分析的具体问题，在其他分析中则不 一定需要。
5.4.5
其他操作
载荷的其他操作包括缩放载荷大小、实体模型载荷向有限元模 型转移及删除载荷步文件等操作。选择Main Menu|Solution|Define Loads|Operate菜单，展开Operate（操作）菜单项，其菜单中的各 个选项及功能分别如下。 Scale FE Loads：缩放已经施加的载荷大小； Transfer to FE：将施加在实体模型上的载荷转换到相应的有限 元模型上。 Delete LS File：删除载荷步文件。
5.2.2
面载荷梯度
如果为模型施加的面载荷不是等值均匀分布，而是沿 着某一方向递增，则需要设置面载荷梯度。设置面载荷梯度 主要用于产品的结构分析。可以通过一个图示讲解面载荷梯 度的概念。例如，在结构分析中，压力面载荷从x＝0开始， F＝10N，而在X=10m处，压力增加到210牛顿。若设面宽为 l个单位，则压力面载荷梯度就等于（210-10）N/（10－0） m＝20N/m。
分析类型 结构分析 电场分析 热分析 流体分析 磁场分析 力载荷 力 力矩 电流 电荷 热流速率 流体流动速率 电流段 磁通量 电荷 ANSYS 标识符 FX,FY,FZ MX,MY,MZ AMPS CHRG HEAT FLOW CSGX, CSGY, CSGZ FLUX CHRG
5.3.3
面载荷
5.2.3
重复加载方式
在多载荷步求解的分析问题中，经常会碰到需要在同 一位置施加不同大小的同一类型的载荷的情况。为了处理后 施加的载荷与前一次施加的载荷之间的关系，ANSYS提供 了替代方式和累加方式来处理。 ANSYS的默认设置采用替代方式。表示当前施加的载 荷是替代前一次在相同位置施加的相同类型的载荷，这种方 式的最终结果是新的载荷替代原有载荷。累加方式是指只保 留以前的载荷，当前在相同位置重复施加的同类型载荷作为 载荷增量与原来的载荷相加，最终的载荷是原有载荷值与新 的载荷值的叠加结果。
面载荷不像集中力载荷，自由度DOF约束那样直观，虽然也可 以直接施加到节点上，但本质上属于一种分布载荷。
分析类型 结构分析
表面载荷 压力
ANSYS 标识符 PRES1.
电场分析
麦克斯韦表面 表面电荷密度 无限表面
对流 热流量 无限表面 流体结构界面 阻抗 麦克斯韦表面 无限表面
MXWF CHRGS INF
5.5
实例
在第三章实体建模和第四章有限元网格划分与模型建 立，建立了轴承座有限元模型，为了进行有限元分析，需要 在此模型基础上施加载荷和约束。施加载荷时分为单载荷步 的施加和多载荷步的施加两种情况。
表5.8 不同分析类型中的可用的“体”载荷
分析类型 结构分析 电场分析 热分析 磁场分析
体载荷 温度 温度 体电荷密度 热生成速率 温度 电流密度 电压降
ANSYS 标识符 TEMP TEMP CHRGD HGEN MXWF JS VLTG
5.3.5
阶跃载荷
当在一个载荷步中指定一个以上的子步时，就出现了载 荷应为阶跃载荷或是线性递增载荷的问题。如果载荷是阶跃 的，那么，全部载荷施加于第一个载荷子步，且在载荷步的 其余部分，载荷保持不变。如图5.14（a）所示，则称为阶跃 载荷。如果指定阶跃载荷，程序按相同的方式处理所有载荷 （约束，集中载荷，表面载荷，体积载荷，和惯性载荷）。 根据情况，阶跃施加、阶跃改变或阶跃移去这些载荷。
5.4
载荷的施加和操作
载荷的添加有多种方式，包括利用表格来施加载荷， 利用函数来施加载荷等方法。ANSYS软件提供了函数加载 功能，可以很方便地在模型表面施加函数变化的各种载荷。 对于施加到模型上面的载荷，可以进行修改和删除，同时还 可以进行缩放载荷大小、实体模型载荷向有限元模型转移及 删除载荷步文件等操作。
CONV HFLUX INF FSI IMPD MXWF INF
热分析
流场分析 磁场分析
5.3.4
体载荷
许多实体模型都支持体载荷的施加，体载荷是十分常 用的一种载荷形式，选择Main Menu|Solution|Define Loads|Apply|Tempreture菜单，将展开结构分析中施加温度 体载荷的菜单项。
5.3.1
自由度约束
自由度也成为节点自由度，是有限元求解过程中的惟 一变量。而有限元计算最终得到的自由度的值称为基本解。 自由度约束通常只作为分析所需要的重要参量，是有限元分 析所计算的量。所以在大多数分析问题中，都需要施加相应 的自由度约束。
5.3.2
集中力载荷
对于不同分析类型中，集中力载荷对应的物理量是不 同的。例如电场分析中的集中力载荷包括电流和电荷，而磁 场分析中的集中力载荷包括电流段，磁通量以及电荷。
5.1.2
载荷施加的对象
来自百度文库
载荷施加的对象是指载荷作用的实体或者有限元模型， ANSYS中载荷可以施加在实体模型或者有限元模型上。实际 上，最终的载荷都是施加在有限元模型上的载荷。所以，如 果载荷施加在实体模型上，求解过程中将实体模型上的载荷 自动转换为有限元模型上的载荷。
5.1.3
载荷步、子步和平衡迭代
5.2.4
设定载荷步选项
在大多数有限元分析过程中，经常会碰到需要施加多 次载荷或者施加不同载荷的问题。这时，就需要合理的设置 多载荷步，以更为真实地反应实际载荷的加载情况。设定载 荷步选项包括多载荷步设置，输出控制，时间和频率和其他 载荷步选项。
5.3
载荷的分类
载荷具有不同的类型，在ANSYS中为了真实的反映实际 物理情况，将载荷分为自由度约束（DOF），集中力载荷， 面载荷，体载荷，阶跃载荷，坡道载荷和其他载荷等几种类 型。
5.2
载荷的初始设置
在施加载荷前，ANSYS提供一些较为常用的初始设置，这 对某些载荷的施加以及之后的求解都有一定的影响，因此需要了 解如何进行这些常用的初始设置。主要涉及到均布温度和参考温 度，面载荷梯度，重复加载方式，设定载荷步选项等内容。主要 通过选择Main Menu|Solution|Loads|Settings菜单进行设置。
5.4.1
利用表格来施加载荷
如果采用表格参数定义载荷，按如下步骤进行： （1）用TABLE类型的数组参数定义载荷特性，例如，定义 载荷与时间的关系。 （2）打开自动时间步长功能（AUTOTS,ON），定义时间 步长（DELTIM）或子步数。 （3）定义时间步重置选项。可以选择在求解中不重置时间 步，或基于一个已定义好的时间（关键时间）数组重置时间步， 或基于一个新的关键时间数组重置时间步。 （4）用一个与关键时间数组类似的n×1数组参数来指定将 哪些时刻的计算结果写入结果文件。可以利用关键时间数组，或 用一个不同的数组。
载荷步是指分布施加的载荷，可以使用不同的载荷步 来施加不同的载荷组合。可以将载荷步理解为一系列不同的 载荷配置，ANSYS只计算每个载荷配置下的应力应变等。 在每一个载荷步内，为了逐步加载可以控制程序来执行多次 求解（子步或时间步）。荷载步比如说桥梁中的荷载有施工 荷载、风载、二期恒载等，要根据自己的分析需要进行加载 就要用到荷载步。
5.3.6
坡道载荷
如果载荷是逐渐递增的，那么，在每个载荷子步，载荷值 逐渐增加，且全部载荷出现在载荷步结束时。如图5.14（b）所 示，则称为坡道载荷。 如果指定逐渐递增载荷，那么在第一个载荷步施加的所有 载荷，除了薄膜系数外，都是逐渐递增的。薄膜系数是阶跃施 加的。施加阶跃载荷和坡道载荷的命令为： 命令：KBC。 GUI：Main Menu|Solution|Sol’n Control:Transient Tab。 GUI：Main Menu|Solution|Time/Frequenc|Freq & Substeps| Time and Substps|Time & Time Step。 GUI：Main Menu|Solution|Unabridged Menu|Time/Frequenc|Freq & Substeps |Time and Substps | Time & Time Step。
5.4.2
利用函数来施加载荷
ANSYS软件提供了函数加载功能，可以很方便地在模型表 面施加函数变化的各种载荷。ANSYS中可以通过下面三种方法 实现利用函数来施加载荷。 （1）使用ANSYS主菜单中的函数编辑器和加载器来实现， 操作界面简单，方便查错和调试。这种方式也是在实践中用的最 多的方法。 （2）通过表参数的方法实现，可以用来定义随时间变化的 载荷，响应谱曲线，压力曲线，材料温度关系曲线等。就方法本 质来说，方法1中用函数编辑器定义的函数文件，最终还是要使 用函数加载器调入并定义成表参数供用户使用。 （3）使用ANSYS提供的APDL语言，编程实现利用函数来 施加载荷。但这种方式不适合初级用户，需要用户对APDL语言 的结构和编程非常熟悉才能完成。
5.4.4
删除载荷
施加载荷是一项需要小心处理的工作，若将载荷施加到模 型的正确位置。需要修改载荷，然后重新完成建模和划网格工 作，这将花费更多的时间。有些问题则需要删除以前定义的载 荷而重新施加新的载荷。针对这些问题，Main Menu中Solution 菜单中专门提供了一个子菜单，用于完成载荷的删除。
第5 章
施加载荷
施加载荷是有限元分析的一个重要步骤，不同的分析 类型几乎都是以载荷（如力，温度，速度等）作为条件，研 究载荷下系统的变化情况。例如结构静力学分析用来求解外 载荷引起的位移、应力和力的变化，结构动力学分析用来求 解随时间变化的载荷对结构或部件的影响，主要考虑随时间 变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化情 况。
5.1.4
时间参数
在静态分析和瞬态分析中，不论分析是否依赖于时间，ANSYS使 用时间作为跟踪参数，优点是时间总是单调增加的，并且在所有情况下 可以使用一个不变的“计数器”或“跟踪器”，不需要依赖于分析的术 语。在指定载荷历程曲线的同时，在每个载荷步结束点赋时间值。可以 使用TIME命令赋时间值。