3.6 约束及载荷

OptiStruct作为一款通用的有限元结构求解器，支持各种类型的约束和载荷。目前支持的约束与载荷类型有固定约束、强制位移、集中力、离心力、压强、温度、转矩以及重力等。

3.6.1 固定约束/强制位移

固定约束用于模拟结构不会发生运动的点线面上，比如房屋地基一般不会发生运动，机床安装点不会相对于地面运动，悬臂梁固定端不会发生运动。固定约束一般施加到节点上，可以约束节点完全固定不动，也可以约束节点的部分自由度。需要注意的是，实体单元节点只有3个平移自由度，壳单元节点有3个平动自由度及3个转动自由度。

OptiStruct使用SPC（单点约束）卡片来模拟固定约束，卡片格式见表3-14。

其中，GID为节点编号；C为约束的自由度，1～3为平移自由度，3～6为转动自由度；D为该自由度上的位移，如果为0则为固定约束，如果不为0则为强制位移。HyperMesh中通过Analysis->constraints工具创建约束或强制位移。

3.6.2 集中力

集中力是加载到一个节点或节点集上的力载荷，OptiStruct可通过FORCE、FORCE1、FORCE2卡片施加集中力。现实生活中结构都是沿着某条线或者某个面上受力，不存在绝对的一个点上受力的情况，因此有限元中通常也是将合力施加到一系列点上来模拟结构受力情况。比如结构受力面上有10个点，合力为250N，需要将合力除以10，分别加载到各个点上，即每个点上加载25N。也可以使用RBE3单元将受力点抓起来，然后将250N合力直接加载到RBE3中心点上。FORCE卡片格式见表3-15。

其中，GID为节点ID；GSETID为节点集ID；F为施加的载荷大小；N1、N2、N3为方向向量；CID为N1、N2、N3所定义的局部坐标系，如果CID为空，则为全局坐标系。需要注意的是，如果向量（N1,N2,N3）的幅值不为零，该幅值将会放缩载荷F值，即实际施加的载荷为

3.6.3 压强

现实生活中存在作用于表面的载荷，如水坝受到的水压、飞机机翼上受到的气压。对于此类压力，OptiStruct通过PLOAD、PLOAD1、PLOAD2以及PLOAD4卡片来施加。表3-16为最常用的PLOAD4卡片格式。

其中，EID为受压力作用的单元编号；P1、P2、P3和P4表示面网格四个节点上的压强大小，如果不设置P2、P3、P4，则默认情况下P1=P2=P3=P4；（N1,N2,N3）为方向向量；CID为N1、N2、N3所在的局部坐标系，如果为空，则为全局坐标系。HyperMesh中通过Analysis->pressures工具来施加压强载荷。

3.6.4 力矩

在壳单元中，单元节点除了可以承受集中力外，还可以承受弯矩。前面已经介绍，力可以通过FORCE、FORCE1、FORCE2卡片施加，而弯矩则需要通过MOMENT、MOMENT1、MOMENT2卡片施加。以MOMENT卡片为例，卡片格式见表3-17，其他两个卡片的设置类似。

其中，GID为节点编号；GSETID为节点集编号；M为弯矩；（N1,N2,N3）组成一向量，表示力矩的方向。需要注意的是，如果（N1,N2,N3）不是单位向量，则该向量的幅值会缩放弯矩M。CID为N1、N2、N3所在的局部坐标系，如果为空，则为全局坐标系。

3.6.5 重力

OptiStruct提供GRAV、ACCEL、ACCEL1和ACCEL2四种卡片来模拟重力。GRAV用于对整个模型施加加速度载荷；ACCEL用于对模型中所有节点施加加速度载荷，但不同位置可施加不同的加速度载荷；ACCEL1用于对特定的节点施加相同的加速度载荷；ACCEL2用于对特定节点集施加不同的加速度载荷。GRAV卡片见表3-18。

其中，G为施加的加速度；（N1,N2,N3）构成一个向量，表示加速度的方向；CID为N1、N2、N3所在的局部坐标系，如果为空则为全局坐标系。ACCEL卡片见表3-19，ACCEL1及ACCEL2的卡片设置类似。

其中，（N1,N2,N3）定义了加速度的方向；CID为N1、N2、N3所在的局部坐标系，如果为空，则为全局坐标系；DIR可为x、y、z，通过LOCi指定不同DIR方向LOCi处的节点，施加VALi的加速度值。位于LOC（i）及LOC（i+1）之间位置的节点，通过插值得到相应的加速度值，如图3-7所示。

HyperMesh中可直接创建GRAV类型的load collector，ACCEL、ACCEL1和ACCEL2卡片可通过Analysis->accels工具创建。

3.6.6 离心力

电动机转子等旋转结构会受到离心力作用，OptiStruct中提供RFORCE卡片来模拟离心力。在Hy perMesh中直接创建类型为RFORCE的load collector即可创建离心力。RFORCE卡片格式见表3-20。

其中，G为旋转中心节点编号；（R1,R2,R3）为转动方向；CID为R1、R2、R3定义的局部坐标系；A为转速；IDRF为单元集；RACC为IDRF单元集的转速缩放系数。

3.6.7 LOADADD

在OptiStruct中，一个工况通常只能包含一个载荷卡片，但实际上一个工况中可能会包含数十种载荷，有两种方法可解决该问题：①把几十个载荷放在同一个load collector中；②将同一工况下的载荷放到一个类型为LOADADD的载荷集，即进行载荷叠加。若载荷数量很多，建议使用LOADADD卡片进行载荷叠加。

LOADADD卡片可以关联FORCE、MOMENT、FORCE1、MOMENT1、PLOAD、PLOAD1、PLOAD2、PLOAD4、RFORCE、DAREA、ACCEL、ACCEL1、ACCEL2、GRAV等卡片类型。LOADADD卡片在进行关联时，可通过缩放系数对各载荷进行比例缩放。LOADADD卡片见表3-21。

其中，Si为一个载荷集；Li为Si载荷的缩放系数；S为载荷总的缩放系数。其关系可用式（3-6）表示。