X边界条件和载荷10.1边界条件施加的力和/或者约束叫做边界条件。

在HyperMesh中，边界条件存放在叫做load collectors的载荷集中。

Load collectors可以通过在模型浏览器中点击右键来创建(Create > Load Collector)。

经常（尤其是刚开始）需要一个load collector来存放约束（也叫做spc-单点约束），另外一个用来存放力或者压力。

记住，你可以把任何约束（比如节点约束自由度1和自由度123）放在一个load collector中。

这个规则同样适用于力和压力，它们可以放在同一个load collector中而不管方向和大小。

下面是将力施加到结构的一些基本规则。

1.集中载荷（作用在一个点或节点上）将力施加到单个节点上往往会出现不如人意的结果，特别是在查看此区域的应力时。

通常集中载荷（比如施加到节点的点力）容易产生高的应力梯度。

即使高应力是正确的（比如力施加在无限小的区域），你应该检查下这种载荷是不是合乎常理？换句话说，模型中的载荷代表了哪种真实加载的情形？因此，力常常使用分布载荷施加，也就是说线载荷，面载荷更贴近于真实情况。

2.在线或边上的力上图中，平板受到10N的力。

力被平均分配到边的11个节点上。

注意角上的力只作用在半个单元的边上。

上图是位移的云图。

注意位于板的角上的红色“热点”。

局部最大位移是由边界效应引起的（例如角上的力只作用在半个单元的边上），我们应该在板的边线上添加均匀载荷。

上述例子中，平板依然承受10N的力。

但这次角上节点的受力减少为其他节点受力的一半大小。

上图显示了由plate_distributed.hm文件计算得到的平板位移的云图分布。

位移分布更加均匀。

3.牵引力（或斜压力）牵引力是作用在一块区域上任意方向而不仅仅是垂直于此区域的力。

垂直于此区域的力称为压力。

4.分布载荷（由公式确定的分布力）如何施加一个大小变化的力？分布载荷（大小随着节点或单元坐标变化）可以由一个公式来创建。

上图中，力的大小是节点坐标y 值的函数（力作用方向为负的z方向，大小是节点坐标y值乘以10）。

5.压力和真空度上图中显示了一个分布载荷（压力）。

原点位于左上角高亮的节点上。

如何施加大小随空间位置变化的压力？上图中，压力的大小是单元中心x和z坐标值的函数。

6.静水压力土木工程的应用：大坝设计。

机械工程应用：装液体的船只和水箱。

在上表面水压为零，在底部最大(= ρ* g * h)。

如下图，它是线性变化的。

静水压力施加方法考虑了单元中心的位置，（垂向位置h）。

7.弯矩约定力用单箭头表示，指向力的作用方向。

力矩用双箭头表示，方向由右手定则确定。

平板边上的节点受力矩作用，结果是节点有绕着Y轴(dof 5).旋转的趋势。

上图平板右侧边线受到弯矩作用。

位移放大100倍，原始位置用线框表示。

上图施加在节点上的弯矩可以用添加刚性单元到每个节点上，再加上对应的力来模拟。

这个例子中，RBE2的方向指向Z向，受力方向为X向，如下图所示。

进行后处理时确保将RBE2的结果排除在外（仅显示壳单元的位移结果）。

8.扭矩什么是扭矩？扭矩和弯矩有什么区别？扭矩是作用在轴向的弯矩(Mx)。

扭矩(Mx)产生剪切应力和角变形，另外两个方向的弯矩(My , Mz)产生正应力和轴向变形。

如何确定扭矩的方向，顺时针还是逆时针？基于右手定则，拇指指向箭头的方向，其余手指的方向表明了扭矩的作用方向。

如何给实体单元施加扭矩(brick /tetra)？实体单元在节点上没有转动刚度，只有三个方向平移自由度。

一个常见的错误是直接将扭矩施加到实体单元的节点上。

在实体正确施加扭矩的方法是使用RBE2或者RBE3单元。

刚体单元将扭矩转换为力分布到实体单元上。

刚性连接单元RBE2使用刚性单元RBE2将中心节点连接到外部节点。

然后扭矩施加到中心节点上。

另外你也可以用一个RBE3单元来代替：独立节点选择轴边缘的外部节点。

非独立节点可以自动确定。

这个操作很简单。

然而，应当注意被引用的自由度。

实体单元只有移动的三个自由度（自由度123）。

非独立节点允许转动（自由度123456）。

如果非独立点的转动自由度（本例中自由度5，y轴）没有被激活，扭矩不会被传递到独立节点。

包裹壳单元：在brick/tetra实体单元的外表面覆盖一层quad/tria 2D单元。

这些壳单元的厚度应该可以忽略的，那样不会影响结果。

现在扭矩可以施加在表面节点上，大小是总扭矩/施加节点的数量。

使用HyperMesh可以方便地创建壳单元。

使用Faces面板来创建表面。

通过View > Toolbars > Checks打开检查工具栏，点击按钮来打开FACES面板。

面单元（不是2dplot单元）自动创建并被存放于^faces的组件里。

只需要将这些单元作为普通单元对待即可，（例如：重命名组建集合，指定材料和属性。

）上图中，使用了收缩单元的命令来显示轴的单元。

橙色单元是实体单元，红色单元是实体单元自由表面的2d单元。

9.温度载荷假设金属直尺自由平放在地面上，如下图所示。

如果室温上升到50度，直尺内部会有应力产生吗？答案是没有应力产生。

它会因高温而膨胀（热应变）。

只有妨碍它的变形才会产生应力。

考虑另一种情况，这次钢尺的另一端被固定在墙上（墙不导热），如果温度上升，它将在固定端产生热应力，如下图所示。

热应力计算的输入数据需要节点的温度，室温，热传导率和线热膨胀系数。

10.重力载荷：指定重力方向和材料密度需要一个卡片定义为GRAV的载荷集合。

记住你的单位制。

11.离心载荷用户需要输入角速度，转动轴和材料密度。

RFORCE卡片定义受离心力的静态载荷。

12.整车分析下的“G”值垂向加速度（车辆驶过路面坑槽或紧急制动）：3g侧向加速度（转向力，车辆转向时产生）：0.5-1g轴向加速度（制动或突然加速时产生）：0.5-1g13.一个车轮通过沟槽有限元模型应该包括所有的部件，不重要的部件可以用一个集中质量代替。

车辆的质量和有限元模型的质量，实际轴荷与模型的轴荷，应该一致。

施加约束时，落入沟槽的车轮垂直的自由度应该自由。

另外一个车轮应该适当约束来避免刚体位移。

指定重力方向朝下，并且值为3*9810 mm/sec2 。

因为多数时侯我们没有整车的CAD数据或足够的时间来建立详细的模型，另外一个简单的近似方法是施加3倍的反作用力在落入沟槽的车轮上。

假设车轮反作用力（测试数据）是1000N，因此施加3000N在车轮上，方向向上，并充分约束其他车轮避免刚体模态。

这种方法对于两种设计的对比比较有效。

14.两个车轮掉入沟槽：和上面讨论相同，假设两个轮子落入沟槽。

一个车轮掉入会造成弯扭，两个车轮掉入则产生弯曲载荷。

15.制动：沿着轴向（与车辆前进方向相反）的线性加速度（或重力）=0.5到1g16.转向：沿着侧向的线性加速度=0.5到1g10.2 如何施加约束初学者会发现很难施加边界条件，特别是约束。

每个刚接触CAE的人都面临两个基本问题：i)进行单个部件的分析，力和约束是加在单个部件上（类似自由体受力图）还是将周围连接的部件都考虑进去？ii)在什么位置，约束多少个自由度？约束用来限制结构出现相对刚体位移。

二维物体的约束上图描述了二维物体在纸平面的运动。

（来自：/engineering/CAS/courses.d/IFEM.d/IFEM.Ch07.d/IFEM.Ch07.pdf ）如果物体没有被固定，施加的载荷力将引起无限的位移（例如有限元软件将报告刚体位移并且退出运行显示错误）。

因此，不管载荷如何，物体必须在XY方向和绕Z轴转动方向被固定。

这样约束二维物体的自由度至少有三个。

如上图a所示，A点约束了物体的移动自由度，与B点一起限制了物体的转动自由度。

这个物体可以以任意方式自由扭曲，没有因为约束带来任何变形限制。

图b是图a的简化。

AB线平行于全局的y轴。

A点约束了x和y的移动自由度，B点约束了x的移动自由度。

如果B点的滚动支座改成如图c，就可能产生绕A点的刚体转动（例如转动方向垂直于AB）。

刚体位移将产生刚度矩阵奇异。

三维物体的约束上图（来自：/engineering/CAS/courses.d/IFEM.d/IFEM.Ch07.d/IFEM.Ch07.pdf）说明了将自由度约束的概念扩展到三个维度。

现在至少需要6个方向的自由度被约束并且有更多可能的组合。

如上例，A点约束三个方向的自由度，消除了刚体移动，但是还需要约束三方向的转动。

B点约束了x 方向位移消除了绕z轴的转动，C点约束了z方向的位移从而消除了绕y轴的转动，D点约束y轴的位移从而消除了绕x轴的转动。

1.离合器壳体的分析目标是（只）分析离合器壳体。

离合器壳体连接在引擎和变速箱壳体上。

分析有两种可能性：方法1：分析中只考虑离合器壳体。

因此，根据自由体受力图施加力和力矩，并且约束两个面所有的螺栓孔的所有自由度。

方法2：模型至少包括引擎和变速箱在接触部位的一部分（或者整个部件用粗糙的网格来代替，忽略细小特征）。

然后前轴和后轴等其它部件用近似截面的梁单元表示。

约束车轮的部分自由度（不是所有自由度只需约束刚体位移或使用惯性释放方法）。

注意离合器壳体是分析的关键位置，网格应该画细些。

推荐采用第二种方法，它的刚度更合理，约束更接近现实。

第一种方法，约束了离合器壳体的两个面，这种过约束将产生更安全的结果（应力和位移偏小）。

另外，这种方法不能考虑到特殊的工况，比如一个或两个轮子陷入凹坑。

2.支架分析问题：支架固定在刚性墙上，受到180kg的垂向力。

如果将这个问题交给不同公司的工程师，你会发现不同的CAE工程师施加的约束是各不相同的：i.直接约束螺栓孔的边缘。

ii.用刚性单元/粱单元模拟螺栓，并且约束螺栓端部iii.建立螺栓模型，约束螺栓端部和支架底部垂直于面的自由度应力N/mm2位移mm约束螺栓孔的边缘99315.5Bolt –用粱单元模拟螺栓77016.2用粱模拟螺栓，支架底部只约束z 自由度75815.8直接在孔边上施加约束产生了很高的应力。

第二种方法显示支架底部边缘位移是不真实的。

方法3是推荐方法。

注意它们在应力和位移上的差别。

考虑到梁单元/刚性单元和壳/实体单元连接产生的高应力，忽略垫圈附近单元的高应力（垫圈部分和梁单元/刚性单元连接之外的一圈）是某些软件用户的标准做法。

如下图支架的另一种约束方法。

本次支架用简化的螺钉/螺栓固定到了墙上。

螺栓用刚性单元(RBE2)来模拟。

约束刚性单元中心的移动自由度(dof 1-3)会发生什么呢？看起来这种约束和实际很相符（比如，支架安装于墙上），但这样约束允许中心点旋转，因此，孔变形了（即使这种变形很小），如下图。

将上图的变形放大100倍。