第四章 加载
当模型建好后，下一步就是给结构加载为求解作准备，为了能正确地模拟结构的响应，就必须定义与指定时间间隔相对应的载荷，本章将讲述以下有关加载的几个方面：
·一般加载选项
—使用component或PART IDs和数组参数
—如何施加、删除、显示一般载荷[EDLOAD ]
—如何绘制载荷曲线[EDPL]
—如何定义数据曲线[EDCURVE ]
—如何显示或隐藏载荷标记
·约束和初始条件
—如何在ANSYS/LS-DYNA中施加约束[D ，EDNROT]
—如何定义滑移和循环对称平面[EDBOUND ]
—如何定义混合型约束[EDCNSTR ]
—如何定义焊点[EDWELD ]
—如何给模型施加初始速度[EDVEL ，EDPVEL]
·耦合和约束方程
—自由度耦合[CP ]
—自由度间的约束方程[CE ]
·非反射边界[EDNB ]
·温度载荷
·动力松弛
4.1一般载荷选项
与许多隐式分析不同的是，显示分析中的所有载荷必须与时间有关。因此，在ANSYS/LS-DYNA中，许多标准的ANSYS命令都是无效的。在ANSYS/LS-DYNA中，尤其不能使用F，SF，BF系列命令，因为它们只能定义与时间无关的载荷。此外，D命令只能定义节点约束。基于上述原因，在ANSYS/LS-DYNA中用一对数组参数定义载荷（一个用来定义时间，另一个定义载荷）。
注意--虽然节点加速度（Ax ，Ay ，Az ）和节点速度（Vx ，Vy ，Vz ）以自由度出现，但它们不是物理自由度，不能使用D命令约束。要采用EDLOAD命令给这些节点施加载荷。
在ANSYS/LS-DYNA中，所有载荷都是在一个载荷步内施加的。这和隐式分析有很大的不同，它在多个载荷步内施加载荷。在ANSYS/LS-DYNA中，对于一些特定的载荷，也可以用EDLOAD命令指定何时施加(birth time)、何时去除(death time)。请参考EDLOAD命令中的Birth Time,Death Time和CID,检验birth/death time的适用性。
给模型施加载荷，需遵循以下步骤：
·把模型中受载的那部分定义成Component(或PART，用于刚体)
·定义包含时间间隔和载荷数值的数组参数
·定义载荷曲线
·如果不是在整体坐标系中加载，需要用EDLCS命令定义载荷方向
·模型加载
4.1.1组元
除给刚性体加载外，显式分析中所有载荷都施加到Component上。因此，第一步就是把模型中受载的那部分组合成Component，每个Component应由模型中承受同样载荷的部分组成。并且可以通过材料本构、模型中位置、预期状态等联系在一起。
例如，想要分析一个棒球撞击到墙上的结果，可以定义球上的节点为一个Component，球棒上的节点为另一个Component，墙上的节点为第三个Component。
可以定义任意多个Component，然后给每一个Component加载，Component必须由节点或单元组成（只有当施加压力载荷时Component才由单元组成）
定义Component时，首先要选择Component中想要包含的部分，然后使用GUI中的下列菜单路径来定义Component（CM）：Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Create Component
关于Component的详细信息，参见《ANSYS Analysis Guide》中的Selecting and Components。对于刚性体，载荷一般都施加到PART号上，而不是Component上。这是因为当使用命令EDMP，RIGID，MAT定义刚性体时已经包含有一系列节点和单元。
4.1.2数组参数
值得注意的是，显式动态分析中，载荷在一些特定时间间隔内施加到结构上，这样就可以观察在特定时间段里施加载荷后模型的瞬态行为。因此，不仅需要定义施加载荷的类型（FX，FY，FZ，ROTX，ROTY，ROTZ等），同时也需要定义载荷施加到结构上的时间间隔值。
时间间隔值和其相对应的载荷值组合在一起定义为数组参数。这些参数必须定义为两部分，第一部分为时间间隔值，第二部分为载荷值，载荷应与时间间隔相对应。在GUI中，采用菜单路径来定义一个数组参数：Utility Menu>Parameters>Array Parameters>Define /Edit.
有关如何定义数组参数的详细信息，参看《ANSYS APDL Programmer’s Guide》中的Array Parameters。
注意--可以通过线性插值得到中间时间点的载荷值。指定时间范围外的载荷值不能由程序插入。因此，必须保证载荷时间范围至少等于求解时间。否则，由于过早的去除载荷求解结束时的结果将会变为无效值。
一旦定义了能代表载荷的数组参数，这些载荷与时间有关，就可以直接用EDLOAD命令输入参数定义载荷。或者，可以用EDCURVE命令输入参数来定义载荷曲线。相对应的载荷曲线ID可用EDLOAD命令输入。
为说明数组参数的应用，考虑前面提过的棒球例子。想要考察从击球瞬间到击球一秒钟后球的变形。假定位移是时间的已知函数，球刚碰撞时的初始速度为1600in/sec（91MPH）。
首先需要定义一些节点组元，用它们来定义载荷和接触面。建立一个Component，它包括球上的所有节点，取名为ball。对这个Component施加一个1600in/sec的初始速度（EDVEL），（本章后面再讨论）。然后再创建第二个组元，它仅包括球表面上的所有节点，取名为ballsurf.这个Component以后将用于接触定义。还需定义第三个Component，它包括球棒表面上的节点，取名为batsurf，接触算法将在第六章接触表面中讨论。
nsel,s,node,… !选择组成球的所有节点
cm,ball,node !定义Component为ball
nsel,s,node,… !选择组成球表面的所有节点
cm,ballsurf,node ！定义Component为ballsurf
nsel,s,node,… !选择球棒表面的所有节点
cm,batsurf,node ！定义Component为batsurf
nsel,all
现在选择球棒基座上的节点（bathand），对它施加一个位移时间载荷曲线。
定义一名字为time的数组来存储时间值。使用时间值要与模型的所有载荷、维数以及材料性质相协调。其次，定义一个数组，包括Component bathand相应的X位移值，命名为Xdisp.同样定义数组Ydisp和Zdisp,以包含球棒相应的Y位移和Z位移值。
nsel,s,node,… !选择球棒基座上的节点
cm,bathand,node ！定义Component为bathand
nsel,all
*dim,time,,4 !定义数组参数为time的维数
*dim,xdisp,,4 !定义数组参数为xdisp的维数
*dim,ydisp,,4 !定义数组参数为ydisp的维数
*dim,zdisp,,4 !定义数组参数为zdisp的维数
time(1)=0,0.25,0.5,0.75,1 !给定位移的时间值
xdisp(1)=0,-1,-2,-1,3 ！球棒的X位移
ydisp(1)=0,1,2,3,4 ！球棒的Y位移
zdisp(1)=0,3,6,8,9 ！球棒的Z位移
给出的例子实际是一个比较复杂的现象的简化模型。更加精确地模拟，应该定义额外的位移位置（和相应的载荷曲线）以更好的模拟球的真实运动。另外，球棒上各节点的初始速度是不同的。最后，球是一些不同材料和材料模型的复合体。
4.1.3施加载荷
一旦定义好Component和数组参数，就可以给建立的模型加载（EDLOAD命令）。在GUI中，可以选择下列菜单路径：Main Menu>Solution>Loading Options>Specify Loads.
可以选择增加载荷（EDLOAD中ADD标号），如力、力矩、节点加速度、表面压力等，所有的载荷都用EDLOAD命令施加到整体笛卡尔坐标系上，此为其缺省值。
GUI的对话框将列出所有有效载荷，以及先定义好的Component和数组参数。只需简单地选择所需的载荷标号，以及Component（刚体的PART号）和数组参数集合（预先定义的载荷曲线号）。值得注意的是，如下表所示的那样，并不是所有的载荷标记都适用于所有Component或PART号。
以下的载荷标记只适用于节点Component：
力：FX，FY，FZ
力矩：MX，MY，MZ
位移：UX，UY，UZ
转角：ROTX，ROTY，ROTZ
速度：VX，VY，VZ
节点加速度：AX，AY，AZ
体加速度：ACLX，ACLY，ACLZ
角速度：OMGX，OMGY，OMGZ
温度：TEMP
注--虽然V（X，Y，Z）和A（X，Y，Z）作为DOFs出现，它们实际上不是物理DOFs。然而，这些量是被计算作为DOF求解和存储以用于后处理。
以下的标记只适用于刚性体（部件号）
力：RBFX，RBFY，RBFZ
力矩：RBMX，RBMY，RBMZ
位移：RBUX，RBUY，RBUZ
转角：RBRX，RBRY，RBRZ
速度：RBVX，RBVY，RBVZ
角速度：RBOX，RBOY，RBOZ
以下标记只适用于单元Component：
压力：PRESS
回到前面的棒球例子，需由time和x/y/z disp数组参数用EDLOAD命令自动生成位移与时间的载荷曲线。
edload,add,ux,,bathand,time,xdisp !球棒的x位移
edload,add,uy,,bathand,time,ydisp !球棒的y位移
edload,add,uz,,bathand,time,zdisp !球棒的z位移
另一种方法，很刚硬的棒球可以模拟为刚体，以简化所需输入数据和减少CPU时间。对于这种情况,对应刚体载荷可以施加有效的PART号（不是节点Component）.
edload,add,rbux,,2,time,xdisp !x位移（如果球棒的PART号为2）
edload,add,rbuy,,2,time,xdisp !y 位移（如果球棒的PART号为2）
edload,add,rbuz,,2,time,xdisp !z位移（如果球棒的PART号为2）
如果已知球棒对球碰撞的压力是时间的函数，则可以不定义任何接触表面就能实现加载。取而代之用带“PRESS”标号的EDLOAD命令对包含球表面单元的组元Component加载。
edload,add,press,1,cover,battime,batload
在这种情况下，在面号1上对单元组元cover加载（在KEY域输入面号），其载荷曲线是由battime和batload数组参数产生的。
特别要提出的是，在上例中，仅仅压力载荷采用EDLOAD命令的LKEY域。LOAD keys(1,2,3等)与面载荷有关，在《ANSYS Elements Reference》中每种单元类型在输入数据表“surface loads”中列出。对于许多非压力的载荷，可以使用KEY域定义坐标系标号CID。载荷将作用于用EDLCS命令定义的CID的方向上，或者说，如果没有指定CID，就作用于整体坐标系上。详细信息请参看§4.1.5Defining Loads in a Local Coordinate System。
注意--为避免某些平台的定时问题，通常是加一个小的时间值（如1.0×10-6 ）到时间数组的最后一项.例如,取代3.0的值,数组的最后一项为下列值:
timeint(1)=0,1,2,3.00001
增加这样小的缓冲，不会影响结果的精度。
除了施加载荷外，也可以用EDLOAD，LIST和EDLOAD，DELE来显示和删除载荷。用EDFPLOT命令也可以显示单元上的载荷标号，并且可以用EDPL命令绘制载荷曲线。
4.1.4数据曲线
用EDCURVE命令定义的数据曲线广泛应用于ANSYS/LS-DYNA中。它们可以用来定义与显式动态材料模型有关的材料数据曲线（例如，应力-应变）和载荷数据曲线（力-偏转）。它还可以定义时间载荷曲线（力，位移，速度等）。这些载荷曲线可以用EDLOAD命令输入。
4.1.4.1使用材料模型数据曲线
某些材料模型（例如，TB，PLAW或TB，HONEY）要求指定材料特性数据，它们可能是有效应变速率、塑性应变或体积应变的函数。对于这些数据，在用数据表[TBDATA ]命令定义材料特性之前，需用EDCURVE命令定义特性曲线。在刚性体和压延筋接触问题中，也采用数据曲线来定义变形特性。
与对Component加载相类似，数据曲线组合成数组参数，然后与特定的曲线参考号相联系，这个参考号可用于指定的材料模型（PLAW，HONEY，等）或接触类型（RNTR，ROTR）和压延筋。定义数据曲线可以分为以下几个步骤：
1.定义一个包含材料或摩擦力特性横坐标的数组参数(例如,有效塑性应变,有效应变率,位移等)
2.定义第二个数组参数,包含材料特性或摩擦力的纵坐标值。（例如，初始屈服应力，弹性模量，力等）。
3.定义数据曲线（EDCURVE）。选择一个数据曲线ID号，产生数据表[TBDATA ]时将采用这个数据曲线ID号来将这些数据与特定的材料特性相联系。
定义这些参数后，在GUI中采用下列路径定义数据曲线：
Main Menu>Preprocessor>Material Props>Curve Options
Main Menu>Solution>Loading Props>Curve Options
可以用EDCURVE，LIST显示数据曲线，用EDCURVE，PLOT绘制曲线，用EDCURVE，DELETE删除曲线。
下例讲述了怎样用曲线来定义钢的分段线性塑性曲线（TB，PLAW，，，，8）：
！“3”是任选的材料参考号（MAT）
mp,ex,3,30.0e6 !弹性模量（psi）
mp,dens,3,7.33e-4 ！质量密度（lbf-sec2 /in4 ）
mp,nuxy,3,0.30 !泊松比
注：首先将工程应变与工程应力关系的数据转换成真实应力与真实应变关系的数据，然后，从总真应变中减去弹性真应变，求出塑性真应变。它与总真应变一起用于LS-DYNA的*MAT-PIECEWISE-LINEAR-PLASTICITY材料模型#24。
!------------------------------------------------------------------------
! Stress-Strain Data used with Piecewise Linear Plasticity (Power Law 8):
!------------------------------------------------------------------------
! Total Total Total Total Elastic Plastic
! Stress/ Eng. Eng. True True True True
! Strain Stress Strain Stress Strain Strain Strain
! Point (psi) (in/in) (psi) (in/in) (in/in) (in/in)
!------------------------------------------------------------------------
! 1 0 0.0000 0 0.0000 0.0000 0.0000
! 2 60,000 0.0020 60,120 0.0020 0.0020 0.0000
! 3 77,500 0.0325 80,020 0.0320 0.0027 0.0293
! 4 83,300 0.0835 90,260 0.0802 0.0030 0.0772
! 5 98,000 0.1735 115,000 0.1600 0.0038 0.1562
! 6 98,300 0.2710 124,940 0.2398 0.0042 0.2356
! 7 76,400 1.2255 170,030 0.8000 0.0057 0.7943
!------------------------------------------------------------------------
注：应力/应变曲线的第一点未输入，起始于第二点（横坐标=屈服应力）。要与用*SET命令定义的数组空间相协调。
*dim,strn,,6 !定义有效塑性真应变数据数组
*dim,strs,,6 ！定义有效总真应力数据数组
strn(1)=0.0,0.0293,0.0772,0.1562,0.2356,0.7493 ！应变（in/in）
strs(1)=60120.,80020.,90260.,115000.,124940.,170030. ！应力（psi）
edcurve,add,1,strn,strs ！曲线#1，纵坐标=应变，横坐标=应力
tb,plaw,3,,,8
tbdata,6,1 ！为应力/应变数据采用载荷曲线#1
注：如果需要，可以定义塑性失效应变。其次，还可以用给定必要的应变率参数或载荷曲线定义应变率对屈服应力的影响。请参见本手册的第七章，对这个材料模型有完整的描述。
4.1.4.2 使用载荷数据曲线
除了用于特定材料模型外，数据曲线还可以用来定义与时间有关的载荷。除了第一个数组参数必须包括时间值，第二个数组参数必须包括相应的载荷值外，定义载荷曲线的步骤和上述材料数据曲线一样。在用EDCURVE命令定义载荷曲线后，就可以用EDLOAD命令输入相应的载荷曲线参考号（LCID）。
下例讲述了用EDLOAD命令定义载荷曲线的3个步骤：
！步骤1：定义数组参数
*dim,time,,5
time(1)=0,.025,.05,.075,.1
*dim,yforce,,5yforce(1)=0,100,200,300,400
! 步骤2:定义载荷曲线和相应的LCID（#11）
edcurve,add,11,time,yforce
! 步骤3:用EDLOAD命令指定LCID
edload,add,fy,,comp,,,,11,1.0
如上所述的那样，在EDLOAD命令的第九个域定义LCID。值得注意的是，如果EDLOAD命令用一个LCID，数组参数不能用来定义载荷。当特定载荷曲线用于多个组元或载荷标记时，在EDLAOD命令中使用LCID而不用数组参数是非常有用的。
4.1.5在局部坐标系中定义载荷
ANSYS/LS-DYNA中，可以在已定义的坐标系的任意坐标方向指定运动为一个组元或部件。这可以用EDLOAD命令的KEY域结合局部坐标系来获得（EDLCS命令）。一旦用EDLCS命令定义了局部坐标系后，（EDLCS，ADD，CID，X1，Y1，Z1，X2，Y2，Z2），就可以在EDLOAD命令中的KEY域用局部坐标系ID（CID）定义载荷的作用方向。如果没有指定CID，载荷就会作用在整体笛卡尔坐标系中。一些载荷类型不支持局部坐标系；在EDLOAD命令注释部分，参看Birth Time,Death Time和CID Support Table，可以得到更多的信息。
4.1.6指定Birth和Death时间
对于每个载荷定义，可以用EDLOAD命令的BTIME和DTIME域来定义激活或杀死时间（EDLOAD，ADD，Lab,KEY,Cname,Par1,PHASE,LCID,SCALE,BTIME,DTIME）。在分析中使用这些选项就可以在任意时刻激活载荷，随后杀死。在多阶段成形过程中这些选项是非常有用的，这一过程需要连续施加多个载荷。一些载荷类型不支持局部坐标系；在EDLOAD命令注释部分，参看Birth Time,Death Time和CID Support Table，可以得到更多的信息。
