第2章加载.docx
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第2章加载
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2.1载荷概述
有限元分析的主要目的是检查结构或构件对一定载荷条件的响应。
因此，在分析中指定合适的载荷条件是关键的一步。
在ANSYS程序中，可以用各种方式对模型加载，而且借助于载荷步选项，可以控制在求解中载荷如何使用。
2.2什么是载荷
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，如图2-1所示。
不同学科中的载荷实例为：
结构分析：
位移、力、压力、温度（热应变）、重力
热分析：
温度、热流速率、对流、内部热生成、无限表面
磁场分析：
磁势，磁通量、磁场段、源流密度、无限表面
电场分析：
电势（电压）、电流、电荷、电荷密度、无限表面
流体分析：
速度、压力
图2-1“载荷”包括边界条件以及其它类型的载荷
载荷分为六类：
DOF约束、力（集中载荷）、表面载荷、体积载荷、惯性力及耦合场载荷。
·DOFconstraint（DOF约束）将用一已知值给定某个自由度。
例如，在结构分析中约束被指定为位移和对称边界条件；在热力分析中指定为温度和热通量平行的边界条件。
·Force（力）为施加于模型节点的集中载荷。
例如，在结构分析中被指定为力和力矩；在热力分析中为热流速率；在磁场分析中为电流段。
·Surfaceload（表面载荷）为施加于某个表面上的分布载荷。
例如，在结构分析中为压力；在热力分析中为对流和热通量。
·Bodyload（体积载荷）为体积的或场载荷。
例如，在结构分析中为温度和fluences；在热力分析中为热生成速率；在磁场分析中为流密度。
·Inertialoads（惯性载荷）由物体惯性引起的载荷，如重力加速度、角速度和角加速度。
主要在结构分析中使用。
·Coupled-fieldloads（耦合场载荷）为以上载荷的一种特殊情况，从一种分析得到的结果用作为另一分析的载荷。
例如，可施加磁场分析中计算出的磁力作为结构分析中的力载荷。
其它与载荷有关的术语的定义在下文中出现。
2.3载荷步、子步和平衡迭代
载荷步仅仅是为了获得解答的载荷配置。
在线性静态或稳态分析中，可以使用不同的载荷步施加不同的载荷组合：
在第一个载荷步中施加风载荷，在第二个载荷步中施加重力载荷，在第三个载荷步中施加风和重力载荷以及一个不同的支承条件，等等。
在瞬态分析中，多个载荷步加到载荷历程曲线的不同区段。
ANSYS程序将把在第一个载荷步选择的单元组用于随后的所有载荷步，而不论为随后的载荷步指定哪个单元组。
要选择一个单元组，可使用下列两种方法之一。
Command（s）（命令）：
ESEL
GUI：
UtilityMenu>Select>Entities
图2-2显示了一个需要三个载荷步的载荷历程曲线：
第一个载荷步用于（rampedload）线性载荷，第二个载荷步用于载荷的不变部分，第三个载荷步用于卸载。
图2-2使用多个载荷步表示瞬态载荷历程。
子步为执行求解的载荷步中的点。
使用子步，有如下原因。
·在非线性静态或稳态分析中，使用子步逐渐施加载荷以便能获得精确解。
·在线性或非线性瞬态分析中，使用子步满足瞬态时间累积法则（为获得精确解通常规定一个最小累积时间步长）。
·在谐波响应分析中，使用子步获得谐波频率范围内多个频率处的解。
平衡迭代是在给定子步下为了收敛而计算的附加解。
仅用于收敛起着很重要的作用的非线性分析（静态或瞬态）中的迭代修正。
例如，对二维非线性静态磁场分析,为获得精确解,通常使用两个载荷步（如图2-3所示）。
·第一个载荷步，将载荷逐渐加到5至10个子步以上，每个子步仅用一次平衡迭代。
·第二个载荷步，得到最终收敛解，且仅有一个使用15-25次平衡迭代的子步。
图2-3载荷步，子步和平衡迭代
2.4跟踪中时间的作用
在所有静态和瞬态分析中，ANSYS使用时间作为跟踪参数，而不论分析是否依赖于时间。
其好处是：
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。
此外，时间总是单调增加的，且自然界中大多数事情的发生都经历一段时间，而不论该时间多么短暂。
显然，在瞬态分析或与速率有关的静态分析（蠕变或粘塑性）中，时间代表实际的、按年月顺序的时间，用秒、分钟或小时表示。
在指定载荷历程曲线的同时（使用TIME命令），在每个载荷步结束点赋时间值。
使用下列方法之一赋时间值：
Command（s）（命令）：
TIME,time
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>Time/Frequenc>TimeandSubstpsorTime-TimeStep
MainMenu>Solution>Sol"nControl：
BasicTab
MainMenu>Solution>Time/Frequenc>TimeandSubstpsorTime-TimeStep
MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Time/Frequenc>TimeandSubstpsorTime-TimeStep
然而，在不依赖于速率的分析中，时间仅仅成为一个识别载荷步和子步的计数器。
缺省情况下，程序自动地对time赋值，在载荷步1结束时，赋time=1；在载荷步2结束时，赋time=2；依次类推。
载荷步中的任何子步将被赋给合适的、用线性插值得到的时间值。
在这样的分析中，通过赋给自定义的时间值，就可建立自己的跟踪参数。
例如，若要将100个单位的载荷增加到一载荷步上，可以在该载荷步的结束时将时间指定为100，以使载荷和时间值完全同步。
那么，在后处理器中，如果得到一个变形-时间关系图，其含义与变形-载荷关系相同。
这种技术非常有用，例如，在大变形屈曲分析中，其任务是跟踪结构载荷增加时结构的变形。
当求解中使用弧长方法时，时间还表示另一含义。
在这种情况下，时间等于载荷步开始时的时间值加上弧长载荷系数（当前所施加载荷的放大系数）的数值。
ALLF不必单调增加（即：
它可以增加、减少或甚至为负），且在每个载荷步的开始时被重新设置为0。
因此，在弧长求解中，时间不作为“计数器”。
弧长方法是一先进的求解技术，关于使用该方法的细节，参见ANSYSStructuralAnalysisGuide（ANSYS结构分析指南）的NonlinearStructuralAnalysis。
载荷步为作用在给定时间间隔内的一系列载荷。
子步为载荷步中的时间点，在这些时间点，求得中间解。
两个连续的子步之间的时间差称为时间步长或时间增量。
平衡迭代纯粹是为了收敛而在给定时间点进行计算的迭代求解方法。
2.5阶跃载荷和坡道载荷
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2-4（a）所示。
·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2-4（b）所示。
图2-4阶跃载荷与坡道载荷
命令：
KBC
MainMenu>Solution>Sol"nControl：
TransientTab，MainMenu>Solution>Time/Frequenc>Freq&Substeps/TimeandSubstps/Time&TimeStep，orMainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Time/Frequenc>载荷Freq&Substeps/TimeandSubstps/Time&TimeStep
用于表示载荷为坡道载荷还是阶跃载荷。
KBC,0表示载荷为坡道载荷；KBC,1表示载荷为阶跃载荷。
缺省值取决于学科和分析类型[以及SOLCONTROL处于ON或OFF状态。
Loadstepoptions（载荷步选项）是用于表示控制载荷应用的各选项（如时间，子步数，时间步，载荷为阶跃或逐渐递增）的总称。
其它类型的载荷步选项包括收敛公差（用于非线性分析），结构分析中的阻尼规范，以及输出控制。
2.6如何加载
可将大多数载荷施加于实体模型（关键点，线和面）上或有限元模型（节点和单元）上。
例如，可在关键点或节点施加指定集中力。
同样地，可以在线和面或在节点和单元面上指定对流（和其它表面载荷）。
无论怎样指定载荷，求解器期望所有载荷应依据有限元模型。
因此，如果将载荷施加于实体模型，在开始求解时，程序自动将这些载荷转换到节点和单元上。
2.6.1实体模型载荷：
优点和缺点
优点：
·实体模型载荷独立于有限元网格。
即：
可以改变单元网格而不影响施加的载荷。
这就允许更改网格并进行网格敏感性研究而不必每次重新施加载荷。
·与有限元模型相比，实体模型通常包括较少的实体。
因此，选择实体模型的实体并在这些实体上施加载荷要容易得多，尤其是通过图形拾取时。
缺点：
·ANSYS网格划分命令生成的单元处于当前激活的单元坐标系中。
网格划分命令生成的节点使用整体笛卡尔坐标系。
因此，实体模型和有限元模型可能具有不同的坐标系和加载方向。
·在简化分析中，实体模型不很方便。
此时，载荷施加于主自由度。
（仅能在节点而不能在关键点定义主自由度。
）
·施加关键点约束很棘手，尤其是当约束扩展选项被使用时。
（扩展选项允许将一约束特性扩展到通过一条直线连接的两关键点之间的所有节点上。
）
·不能显示所有实体模型载荷。
关于实体模型载荷的说明
如前所述，在开始求解时，将实体模型载荷自动转换到有限元模型。
如果将实体模型载荷与有限元模型载荷、藕合或约束方程混合起来，应该预防以下冲突：
·转换过的实体模型载荷将取代现有的节点或单元载荷,而不管这些载荷的输入顺序。
例如,转换的时候,在一条线上的DL,,,UX命令将改写任何这条线上节点的D,,,UX"s命令。
·删除实体模型载荷将删除所有对应的有限元载荷。
例如,在一个面上的SFADELE,,,PRES命令将立即删除任何在这个面上单元用SFE,,,PRES"s命令定义的载荷。
·线或面的对称或反对称条件（DL,,,SYMM，DL,,,ASYM，DA,,,SYMM或DA,,,ASYM）经常引入节点旋转,而属于被约束的线或面的节点,它的节点约束,节点力,联结,或约束平衡将受到影响。
2.6.2有限单元载荷：
优点和缺点
优点：
·在简化分析中不会产生问题，因为可将载荷直接施加在主节点。
·不必担心约束扩展，可简单地选择所有所需节点，并指定适当的约束。
缺点：
·任何有限元网格的修改都使载荷无效，需要删除先前的载荷并在新网格上重新施加载荷。
·不便使用图形拾取施加载荷。
除非仅包含几个节点或单元。
以下几节讨论如何施加各类载荷、约束、集中力、表面载荷、体积载荷、惯性载荷和耦合场载荷，并解释如何指定载荷步选项。
2.6.3DOF约束
表2-1显示了每个学科中可被约束的自由度和相应的ANSYS标识符。
标识符（如UX，ROTZ，AY等）标识符所指的方向基于节点坐标系。
对不同坐标系的描述，参见ANSYSModelingandMeshingGuide（ANSYS建模和网格划分指南）。
表2-2显示了施加、列表显示和删除DOF约束的命令。
注意：
可将约束施加于节点，关键点，线和面上。
表2-1每个学科中可用的DOF约束
学科
自由度
ANSYS标识符
结构分析
平移
旋转
UX，UY，UZ
ROTX，ROTY，ROTZ
热分析
温度
TEMP
磁场分析
矢量势
标量势
AX，AY，AZ
MAG
电场分析
电压
VOLT
流体分析
速度
压力
紊流动能
紊流扩散速率
VX，VY，VZ
PRES
ENKE
ENDS
表2-2DOF约束的命令
位置
基本命令
附加命令
节点
D，DLIST，DDELE
DSYM，DSCALE，DCUM
关键点
DK，DKLIST，DKDELE
-
线
DL，DLLIST，DLDELE
-
面
DA，DALIST，DADELE
-
转换
SBCTRAN
DTRAN
下面是一些可用于施加DOF约束的GUI路径的例子：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>-Loads->Apply>loadtype>OnNodes
UtilityMenu>List>Loads>DOFConstraints>OnKeypoints
MainMenu>Solution>Apply>loadtype>OnLines
其它GUI路径信息和表2-2所列的命令说明参见ANSYSCommandsReference（ANSYS命令参考手册）。
2.6.4施加对称或反对称边界条件
使用DSYM命令在节点平面上施加对称或反对称边界条件。
该命令产生合适的DOF约束。
生成的约束列表参见ANSYSCommandsReference（ANSYS命令参考手册）。
例如，在结构分析中，对称边界条件指平面外移动和平面内旋转被设置为0，而反对称边界条件指平面内移动和平面外旋转被设置为0。
（参见图2-5。
）在对称面上的所有节点根据DSYM命令的KCN字段被旋转到指定的坐标系中。
对称和反对称边界条件的使用示于图2-6。
当在线和面上施加对称或反对称边界条件时，DL和DA命令的作用方式与DSYM命令相同。
对于FLOTRAN分析，可使用DL和DA命令在线和面上施加速度，压力，温度和紊流量。
在线的端点和面的边上，可以根据判断自由施加边界条件。
注：
在使用通用后处理器（POST1）时如果数据库中的节点旋转角度与正在处理的解中所用的节点旋转角度不同，POST1可能会显示不正确的结果。
如果在第二个或其后的载荷步中通过施加对称或反对称边界条件引入节点旋转，通常会导致这种状况。
当执行SET命令（UtilityMenu>List>Results>LoadStepSummary）时，在POST1中错误情况显示下列信息：
警告：
使用与当前存储内容不同的模型或边界条件数据的累积迭代1可能已求解。
POST1结果可能是错误的，除非从一个与该结果相配的.db文件中恢复。
图2-5在结构分析中的对称和反对称边界条件
图2-6使用对称和反对称边界条件实例
2.6.5传递约束
要将已施加在实体模型上的约束传递到对应的有限元模型，使用下列方法之一：
Command（s）（命令）：
DRAN
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>Operate>-TransfertoFE->Constraints
MainMenu>Solution>Operate>-TransfertoFE->Constraints
要传递所有实体模型的边界条件，使用下列方法之一：
Command（s）（命令）：
SBCTRAN
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>Operate>-TransfertoFE->AllSolidLds
MainMenu>Solution>Operate>-TransfertoFE->AllSolidLds
2.6.5.1重新设置约束
缺省情况下，如在同一自由度处重复设置一个DOF约束，则新约束替代原先的约束。
用DCUM命令（MainMenu>Preprocessor>Loads>Settings>-Replacevs.Add->Constraints）可将该缺省值改变为增加（对累积）或忽略重复设置。
例如：
NSEL,...!
选择一组节点
D,ALL,VX,40!
在所有节点设置VX=40
D,ALL,VX,50!
将VX值改变为50（替换）
DCUM,ADD!
接着待加的自由度
D,ALL,VX,25!
在所有节点VX=50+25=75
DCUM,IGNORE!
接着待忽略的自由度
D,ALL,VX,1325!
这些VX值被忽略!
DCUM!
将DCUM重新设置为缺省（替换）
关于NSEL,D和DCUM命令的讨论参见ANSYSCommandsReference（ANSYS命令参考手册）。
使用DCUM设置的任何DOF约束保持设置不变直到发出另一个DCUM命令。
要重新设置缺省设置（替换），仅需发一个不带变元的DCUM命令。
2.6.5.2比例缩放约束值
可以缩放已存在的DOF约束值，方法如下：
Command（s）（命令）：
DSCALE
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>Operate>-ScaleFELoads->Constraints
MainMenu>Solution>Operate>-ScaleFELoads->Constraints
DSCALE和DCUM命令对所有被选择的节点和所有被选择的DOF标识都起作用。
缺省情况下，激活的DOF标识为与模型中单元类型相联系的那些。
Command（s）（命令）：
DOFSEL
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Loads>Operate>-ScaleFELoads->Constraints（orForces）
MainMenu>Preprocessor>Loads>Settings>Replacevs.Add->Constraints（orForces）
MainMenu>Solution>Operate>-ScaleFELoads->Constraints（orForces）
MainMenu>Solution>Settings>-Replacevs.Add->Constraints（orForces）
例如，如果仅要缩放VX的值而不要缩放任何其他DOF标识，使用下列命令：
DOFSEL,S,VX!
选择VX标识
DSCALE,0.5!
将所有被选择节点的VX缩小0.5
DOFSEL,ALL!
重新激活所有DOF标识
在热分析中缩放温度约束时，可以使用DSCALE命令的TBASE字段缩放对基准温度的温度偏差（即：
缩放|TEMP-TBASE|）而不是缩放实际温度值。
如下图所示。
图2-7使用DSCALE缩放温度约束
2.6.5.3消除冲突的约束指定
必须注意DK，DL，和DA约束参数冲突的可能性和ANSYS程序是如何处理这些冲突的。
下列冲突可能会出现：
·DL指定会与相邻线（共享的关键点）上的DL指定冲突
·DL指定会与任一关键点上的DK指定冲突
·DA指定会与相邻面（共享的线/关键点）上的DA指定冲突
·DA指定会与其任何线上的DL指定冲突
·DA指定会与其任何关键点上的DK指定冲突
ANSYS程序按下列顺序将有施加到实体模型上的约束转换到相应的有限元模型：
1.按面号增加的顺序，将DOFDA约束转换到面（和边界线以及关键点）上的节点
2.按面号增加的顺序，将SYMMandASYMDA约束转换到面（和边界线以及关键点）上的节点
3.按线号增加的顺序，将DOFDL约束转换到线（和边界关键点）上的节点
4.按线号增加的顺序，将SYMMandASYMDL约束转换到线（和边界线以及关键点）上的节点
5.将DK约束转换到关键点（和相连线，面以及体，如果满足扩展边界条件）上的节点
因此，对冲突的约束，DK命令改写DL命令，DL命令改写DA命令。
对冲突的约束，指定给较大线号或面号的约束分别改写指定给较低线号或面号的约束。
与约束指定发出顺序无关。
注：
在实体模型约束的转换中检测到的任何冲突都会产生与下列相似的警告信息
***WARNING***
线号为8的DOF约束ROTZ（第一个value=22）正在替换以前从另一个DA，DL或DK"s组转换到节点18上的D（第一个value=0）。
在求解过程中改变DK，DL或DA约束的值，在下一次或其后的边界条件转换过程中可能会产生许多这类警告信息。
如果在求解过程中使用DADEL，DLDEL和/或DDELE.命令删除节点的D约束，则可防止这些警告的产生。
注：
对流场分析自由度VX，VY或VZ上冲突的约束，给定0值（管壁条件）总是优先于非0值入口/出口条件）。
在这种情况下的冲突将不会产生警告。
2.6.6力（集中载荷）
表2-3显示了每个学科中可用的集中载荷和相应的ANSYS标识符。
标识符（如FX，MZ，CSGY等）所指的任何方向都在节点坐标系中。
对不同坐标系的说明，参见ANSYSModelingandMeshingGuide（ANSYS建模和网格划分指南）的第三章。
表2-4显示了施加、列表显示和删除集中载荷的命令。
注意：
可将集中载荷施加于节点和关键点上。
表2-3每个学科中可用的“力”
学科
力
ANSYS标识符
结构分析
力
力矩
FX，FY，FZ
MX，MY，MZ
热分析
热流速率
HEAT
磁场分析
CurrentSegments
磁通量
电荷
CSGX，CSGY，CSGZ
FLUX
CHRG
电场分析
电流
电荷
AMPS
CHRG
流体分析
流体流动速率
FLOW
表2-4用于施加力载荷的命令
位置
基本命令
附加命令
节点
F，FLIST，FDELE
FSCALE，FCUM
关键点
FK，FKLIST，FKDELE
-
转换
SBCTRAN
FTRAN
下面是一些用于施加集中力载荷的GUI路径的例子：
GUI：
MainMenu>Preprocessor>-Loads-Apply>loadtype>OnNodes
UtilityMenu>List>Loads>Forces>OnKeypoints
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>loadtype>OnLines
表2-4所列命令的说明参见ANSYSCommandsReference（ANSYS命令参考手册）。
2.6.6.1重复设置集中载荷
缺省情况下，如果在同一自由度处重复设置一个集中载荷，则新指定替代原先的指定。
使用下列方法之一可将该缺省设置改变为增加（对累积）或忽略：
Command（s）（命令）：
FCUM
GUI：
MainMenu>Preprocessor>-Loads-Settings>Forces
MainMenu>Solution>-Loads-Settings>-Replacevs.Add->Forces
例如：
F,447,FY,3000!
在节点447施加集中载荷FY=3000
F,447,FY,2500!
将FY值该为2500（替换）
FCUM,ADD!
接下来待加的集中力
F,447,FY,-1000!
在节点447FY=2500-1000=1500
FCUM,IGNORE!
接下来将忽略的集中力
F,25,FZ,350!
该载荷被忽略!
FCUM!
重新设置FCUM为缺省值（替换）
关于F与DCUM命令的讨论参见ANSYSCommandsReference（ANSYS命令参考手册）。
使用DCUM设置的任何集中载荷保持设置不变直到发出另一个DCUM命令。
要重新设置缺省设置（替换），仅需发一个不带变元的DCUM命令。
2.6.6.2比例缩放集中载荷值
FSCALE命令允许缩放已存在的集中载荷值：
Command（s）（命令）：
FSCALE
GUI：
Mai
升级会员 