第5章施加载荷

1、第第5 5章章 施加载荷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。结构非线性分析变化的力

2、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。况。5.1 5.1 概述概述本节主要介绍载荷的定义，载荷的分类方法，载荷施加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。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 5.1.1 载荷的定义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。例如机械某种能引起机械结构内力的非力学因

3、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。在源所接受的功率。在ANSYS术语中，载荷（术语中，载荷（loads）包括边）包括边界条件和外部或内部作用力函数。界条件和外部或内部作用力函数。5.1.2 5.1.2 载荷施加的对象载荷施加的对象载荷施加的对象是指载荷作用的实体或者有限元模型，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。实际中载荷可

4、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。自动转换为有限元模型上的载荷。5.1.3 5.1.3 载荷步、子步和平衡迭代载荷步、子步和平衡迭代载荷步是指分布施加的载荷，可以使用不同的载荷步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，载荷配置，ANSYS

5、只计算每个载荷配置下的应力应变等。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。就要用到荷载步。5.1.4 5.1.4 时间参数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，在静态分析和瞬态分析中，不论分析是否依赖于时间，ANSYS使使用时间作为跟踪参数，优点是时间总是单调

6、增加的，并且在所有情况下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可以使用一个不变的“计数器计数器”或或“跟踪器跟踪器”，不需要依赖于分析的术，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。可以使用使用TIME命令赋时间值。命令赋时间值。5.2 5.2 载荷的初始设置载荷的初始设置在施加载荷前，在施加载荷前，ANSYS提供一些较为常用的初始设置，这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，因此需要了对某些载荷的施加以及之后的求解都

7、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。主要通过选择通过选择Main Menu|Solution|Loads|Settings菜单进行设置。菜单进行设置。5.2.1 5.2.1 均布温度和参考温度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，模型所有部分温度和参考温度。均布温度是指施加载荷前

8、，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：设定所有节点初始温度：命令：命令：TUNIF。GUI：Main Menu|Solution|Loads|Settings|Uniform Temp。5.2.2 5.2.2 面载荷梯度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。设置面载荷梯度着某一方向递增，则需

9、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，压力面载荷从度的概念。例如，在结构分析中，压力面载荷从x0开始，开始，F10N，而在，而在X=10m处，压力增加到处，压力增加到210牛顿。若设面宽为牛顿。若设面宽为l个单位，则压力面载荷梯度就等于（个单位，则压力面载荷梯度就等于（210-10）N/（100）m20N/m。5.2.3 5.2.3 重复加载方式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

10、同一类型的载荷的情况。为了处理后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，施加的载荷与前一次施加的载荷之间的关系，ANSYS提供提供了替代方式和累加方式来处理。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留以前的载荷

11、，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，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最终的载荷是原有载荷值与新的载荷值的叠加结果。的载荷值的叠加结果。 5.2.4 5.2.4 设定载荷步选项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，时间和频率和其他荷步选项包

12、括多载荷步设置，输出控制，时间和频率和其他载荷步选项。载荷步选项。5.3 5.3 载荷的分类载荷的分类载荷具有不同的类型，在载荷具有不同的类型，在ANSYS中为了真实的反映实际中为了真实的反映实际物理情况，将载荷分为自由度约束（物理情况，将载荷分为自由度约束（DOF），集中力载荷，），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面载荷，体载荷，阶跃载荷，坡道载荷和其他载荷等几种类型。型。5.3.1 5.3.1 自由度约束自由度约束 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。

13、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。的自由度约束。5.3.2 5.3.2 集中力载荷集中力载荷 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。场分析中的集中力载荷包

14、括电流段，磁通量以及电荷。 分析类型分析类型力载荷力载荷ANSYS 标识符标识符结构分析结构分析力力力矩力矩FX,FY,FZMX,MY,MZ电场分析电场分析电流电流电荷电荷AMPSCHRG热分析热分析热流速率热流速率HEAT流体分析流体分析流体流动速率流体流动速率FLOW磁场分析磁场分析电流段电流段磁通量磁通量电荷电荷CSGX, CSGY, CSGZFLUXCHRG5.3.3 5.3.3 面载荷面载荷 面载荷不像集中力载荷，自由度面载荷不像集中力载荷，自由度DOF约束那样直观，虽然也可约束那样直观，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。以直接施加到节点上，但本质上属于一种分布载

15、荷。 分析类型分析类型表面载荷表面载荷ANSYS 标识符标识符结构分析结构分析压力压力PRES1.电场分析电场分析麦克斯韦表面麦克斯韦表面表面电荷密度表面电荷密度无限表面无限表面MXWFCHRGSINF热分析热分析对流对流热流量热流量无限表面无限表面CONVHFLUXINF流场分析流场分析流体结构界面流体结构界面阻抗阻抗FSIIMPD磁场分析磁场分析麦克斯韦表面麦克斯韦表面无限表面无限表面MXWFINF5.3.4 5.3.4 体载荷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，用的一种载荷形式，选择选择Main Menu|S

16、olution|Define Loads|Apply|Tempreture菜单，将展开结构分析中施加温度菜单，将展开结构分析中施加温度体载荷的菜单项。体载荷的菜单项。表5.8 不同分析类型中的可用的“体”载荷分析类型分析类型体载荷体载荷ANSYS 标识符标识符结构分析结构分析温度温度TEMP电场分析电场分析温度温度体电荷密度体电荷密度TEMPCHRGD热分析热分析热生成速率热生成速率HGEN磁场分析磁场分析温度温度电流密度电流密度电压降电压降MXWFJSVLTG5.3.5 5.3.5 阶跃载荷阶跃载荷当在一个载荷步中指定一个以上的子步时，就出现了载当在一个载荷步中指定一个以上的子步时，就出现了

17、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。如图其余部分，载荷保持不变。如图5.14（a）所示，则称为阶跃）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）。（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。根据情况，阶跃施加、阶跃改变或

18、阶跃移去这些载荷。5.3.6 5.3.6 坡道载荷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。如图逐渐增加，且全部载荷出现在载荷步结束时。如图5.14（b）所）所示，则称为坡道载荷。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：加的。施加阶跃载荷和坡道载荷的命令为：命令：命令

19、：KBC。GUI：Main Menu|Solution|Soln 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 |Timeand Substps | Time & Time Step。5.3.7 5.3.7 其他载荷其他载荷 其他载荷主要包括耦合载荷和惯性

20、载荷等。严格来说耦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。分析中

21、。惯性载荷是指系统在惯性力作用下引起的线加速度、离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。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。一定需要。5.4 5.4 载荷的施加和操作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，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。利用

22、函数来施加载荷等方法。ANSYS软件提供了函数加载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。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。删除载荷步文件等操作。5.4.1 5.4.1 利用表格来施加载荷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：如果采用表格参数定义载荷，按如下步骤进行：（1）用）用TABLE类型的数组

23、参数定义载荷特性，例如，定义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。载荷与时间的关系。（2）打开自动时间步长功能（）打开自动时间步长功能（AUTOTS,ON），定义时间），定义时间步长（步长（DELTIM）或子步数。）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）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，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。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）用一个与关键时间数组类似的n1数组

24、参数来指定将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。用一个不同的数组。5.4.2 5.4.2 利用函数来施加载荷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。面施加函数变化的各种载荷。ANSYS中可以通过下面三种方法中可以通过下面三种方法实现利用函数来施加载荷。实现利用函数来施加载荷。（1）使用）使用ANSYS主菜单中的函数编辑器和加载器来实现，主菜单中的函数编辑器和加载器来实现，操作界面简单，

25、方便查错和调试。这种方式也是在实践中用的最操作界面简单，方便查错和调试。这种方式也是在实践中用的最多的方法。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）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。用函数加载器调入并定义成表参数供用户使用。（3）使用）使用ANSYS提供的提供的APDL语言，编程实现利用函数来语言，

26、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，需要用户对施加载荷。但这种方式不适合初级用户，需要用户对APDL语言语言的结构和编程非常熟悉才能完成。的结构和编程非常熟悉才能完成。5.4.3 5.4.3 修改载荷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为n的数据，执行命令的数据，执行命令LSREAD,n在文件中读取数据，作所在文件中读取数据，作所需的修改，然后执行需的修改，然后执行LSWRITE,n命令命令(将覆盖序号为将覆

27、盖序号为n的旧的旧文件文件)。还可以使用系统编辑器直接编辑载荷步文件，但这。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。与种方法一般不推荐使用。与LSREAD命令等价的命令等价的GUI菜单路菜单路径为：径为：Main Menu|Preprocessor|Loads|Read LS File和和Main Menu|Solution|Read LS File。5.4.4 5.4.4 删除载荷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，荷而重新施加新的载荷。针对这些问题，Main Menu中中Solution菜单中专门提供了一个子菜单，用于完成载荷的删除。菜单中专门提供了一个子菜单，用于完成