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ANSYS 入门教程 (29) - 加载、求解及后处理技术 (a)  

2010-08-20 07:40:26|  分类: ANSYS 入门基础 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第4章  加载、求解及后处理技术
    4.1   荷载及其施加
    4.2   荷载步选项及设置
    4.3   分析类型与求解控制选项
    4.4   求解代价估计
    4.5   重启动分析
    4.6   时变结构的多荷载步求解
    4.7   通用后处理
    4.8   时间历程后处理

 

    在 ANSYS 中,荷载包括边界条件和作用力,对结构分析可以是以下内容:
        位移、力、压力、温度、重力
    一般可将荷载分为六类,如表 4-1 所示。

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    ★  荷载即可施加在几何模型(关键点、硬点、线、面、体)上,也可施加在有限元模型(节点、单元)上,或者二者混合使用。
    ★  施加在几何模型上的荷载独立于有限元网格,不必为修改网格而重新加载;
    ★  施加在有限元模型上且要修改网格,则必须先删除荷载再修改网格,然后重新施加荷载。
    ★  不管施加到何种模型上,在求解时荷载全部转换 (自动或人工)到有限元模型上。

     在结构分析中自由度共有 7 个,自由度的方向均依从节点坐标系。约束可施加在节点、关键点、线和面上。

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一、施加自由度约束

1.   节点自由度约束及相关命令
(1)   对节点施加自由度约束
    命令:D, NODE, Lab, VALUE, VALUE2, NEND, NINC, Lab2, Lab3, Lab4, Lab5, Lab6
        NODE - 拟施加约束的节点号,其值可取 ALL、组件名。
        Lab - 自由度标识符,如UX、ROTZ等。如为ALL,则为所有适宜的自由度。
        VALUE - 自由度约束位移值或表式边界条件的表格名称。
        VALUE2 - 约束位移值的第二个数,如为复数输入时,VALUE 为实部,而 VALUE2 为虚部。
        NEND,NINC - 节点编号范围和编号增量,缺省时 NEND=NODE,NINC=1。
        Lab2,Lab3,Lab4,Lab5,Lab6 - 其它自由度标识符,VALUE 对这些自由度也有效。各自由度的方向用节点坐标系确定,转角约束用弧度输入
    例如:
        D,ALL,ALL                                  ! 对所选节点的全部自由度施加约束
        D,18,UX,,,,,UY,UZ                        ! 对节点 18 的 3 个平动自由度全部施加约束
        D,20,UX,1.0e-4                            ! 对节点 20 的 UX 施加约束,且约束位移值为 1.0e-4
        D,22,UX,0.1,,25,,UY,ROTY          ! 对节点 22~25 的 UX,UY,ROTY 施加约束,且位移值均为 0.1

(2)   在节点上施加对称和反对称约束
    命令:DSYM, Lab, Normal, KCN
        Lab - 对称标识,如为 SYMM 则生成对称约束,如为 ASYM 则生成反对称约束。
            Normal - 约束的表面方向标识,一般垂直于参数 KCN 坐标系中的坐标方向。其值有:
              =X(缺省):表面垂直于 X 方向,非直角坐标系为 R 方向;
              =Y:表面垂直于 Y 方向,非直角坐标系为 θ 方向;
              =Z:表面垂直于 Z 方向,球和环坐标系为 Φ 方向;
        KCN - 用于定义表面方向的整体或局部坐标系的参考号。

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     注解:如果自己施加对称或反对称约束,可以参照如下规则:

        对称约束: 约束对称面的法向平移和绕对称面两个切线的转角;

        反对称约束:约束绕对称面法线的转角和沿对称面两个切线的平移。

 

2.   关键点自由度约束及相关命令
    命令:DK, KPOI, Lab, VALUE, VALUE2, KEXPND, Lab2, Lab3, Lab4, Lab5, Lab6
        KPOI - 关键点编号,也可取 ALL 或组件名。
        KEXPND - 扩展控制参数。如为 0 则仅施加约束到关键点上的节点;如为 1 则扩展到关键点之间(两关键点所连线)的所有节点上,

                         且包括关键点上的节点,当然约束位移值相同。其余参数同 D 命令中的参数。
    列表和删除关键点自由度约束的命令分别为:
        列表:DKLIST, KPOI - 列出关键点 KPOI (可以是 all 或组件名) 上的约束条件。
        删除:DKDELE, KPOI, Lab - 删除关键点 KPOI  (可以是 all 或组件名)  上的约束条件 lab  (可以是 all) 。

    例如:
        DK, ALL, ALL                                 ! 约束所选择全部关键点的全部自由度
        DK,1,UY                              ! 对关键点 1 施加 UY 自由度约束,位移值为零
        DK,2,UX,0.01,,,UY,ROTZ               ! 对关键点 2 的 UX,UY,ROTZ 施加约束,且位移值均为 0.01

 

3.   对线施加自由度约束
    命令:DL,LINE,AREA,Lab,Value1,Value2
        LINE - 线编号,也可为ALL(缺省)或组件名。
        AREA - 包含该线的面编号,并假定对称与反对称面垂直于该面,且线位于对称或反对称面内,缺省为当前选择面中包含该线的最小编号。

                    如不是对称或反对称约束,则此面号无意义。
        Lab - 自由度标识符,其值可取:
            =SYMM:对称约束,按DSYM命令的方式生成;
            =ASYM:反对称约束,按DSYM命令的方式生成;
            =UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ,WRAP:各自由度约束;
            =ALL:所有适宜的自由度约束(与单元相关)。
        Value1 - 自由度约束位移值或表格边界条件的表格名称。表格边界条件仅对 UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ 有效,且

                      Value1 = %tabname%,tbname - 表格数组名。
        Value2 - 仅对 FLOTRAN 分析时有用,对结构分析无意义。
    该命令对线上的所有节点施加自由度约束。
    而列表和删除线上自由度约束的命令分别为:
        列表:DLLIST,LINE - 列出线 LINE (可以是 all 或组件名) 上的约束条件。
        删除:DLDELE,LINE,Lab - 删除线 LINE  (可以是 all 或组件名)  上的约束条件 lab  (可以是 all) 。

    示例:

        !  EX4.2  对线施加约束并转换
        finish  $ /clear  $ /prep7
        et,1,95  $ blc4,,,10,10,10                  ! 定义单元类型、创建长方体
        dl,7,,ux,0.1                                        ! 线 7 施加 UX 自由度约束,位移值为 0.1
        dl,5,,all                                              ! 线 5 施加全部自由度约束
        dl,11,6,symm                                     ! 线 11 施加对称约束,面号为 6
        dl,10,6,asym                                      ! 线 10 施加反对称约束,面号为 6
        dl,6,,symm                                         ! 线 6 施加对称约束,面号缺省
        DLLIST                                              ! 列表显式线约束信息
        esize,2  $ vmesh,all                           ! 划分单元
        dtran  $ DLIST                                   ! 转换约束到有限元模型,并列表显示

 

4.   对面施加自由度约束
    命令:DA, AREA, Lab, Value1, Value2
    其中 AREA 为拟施加约束的面号,也可为 ALL 或组件名,其余同 DL 命令中的参数。
    该命令对面上的所有节点施加自由度约束。
    列表和删除面上自由度约束的命令分别为:
        列表:DALIST, AREA - 列出面 AREA (可以是 all 或组件名) 上的约束条件。
        删除:DADELE, AREA, Lab - 删除线 AREA  (可以是 all 或组件名)  上的约束条件 lab  (可以是 all) 。


5.   约束转换命令
    仅转换约束自由度命令:DTRAN
    边界条件和荷载转换命令:SBCTRAN
    这两命令将施加在几何模型上的约束和荷载转换到有限元模型上。也可不执行这两个命令而在求解时由系统自动转换。

 

6. 自由度约束的冲突
    使用 DK、DL 和 DA 命令施加的自由度约束参数可能会发生冲突,例如:
        DL 指定会与相邻线(有公共关键点)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(有公共关键点和公共线)上的 DA 指定冲突;
        DA 指定会与任一线上的 DL 指定冲突;
        DA 指定会与任一关键点上的 DK 指定冲突。
    按下列顺序将施加到几何模型上的自由度约束转换到有限元模型上:
        ① 按面号增加的顺序,将 DA 的自由度约束转换到面上的所有节点;
        ② 按面号增加的顺序,将 DA 约束的 SYMM 和 ASYM 转换到面上的所有节点;
        ③ 按线号增加的顺序,将 DL 自由度约束转换到线上的所有节点;
        ④ 按线号增加的顺序,将 DL 的 SYMM 和 ASYM 约束转换到线上的所有节点;
        ⑤ 将 DK 自由度约束转换到关键点上的所有节点。
    所以,对冲突的约束,DK 命令改写 DL 命令,DL 命令改写 DA 命令,施加在较大编号图素上的约束改写较低编号上的约束。这种冲突的处理与命令执行的前后顺序没有关系,但当发生冲突时,系统会发出警告信息。

 

二、 施加集中荷载

    结构分析中的集中荷载及其标识符为力 FX, FY, FZ 及力矩 MX, MY, MZ。见下表。

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 1.   施加节点集中荷载
    命令:F, NODE, Lab, VALUE, VALUE2, NEND, NINC
        NODE - 节点编号,也可为 ALL 或组件名。
        Lab - 集中荷载标识符,如 FX,FY,FZ,MX,MY,MZ 其中任一。
        VALUE - 集中荷载值或表式边界条件的表格名称。
        VALUE2 - 集中荷载值的第二个数,如为复数输入时,VALUE 为实部,而 VALUE2 为虚部。
        NEND,NINC - 节点编号范围和编号增量。
    节点集中荷载列表:FLIST
    删除节点集中荷载:FDELE

2.   施加关键点集中荷载
    命令:FK, KPOI, Lab, VALUE, VALUE2
        其中 KPOI 为关键点号,也可取 ALL 或组件名。其余参数同 F 命令。
    FKLIST 命令和 FKDELE 命令分别列表或删除关键点集中载荷。
    转换命令 FTRAN 仅将集中荷载转换到有限元模型的节点上。
        ★  不管在何种模型上施加集中荷载,都与节点坐标系相关。
        ★  如果尚没有生成有限元模型,因无节点存在,对节点坐标系操作无效,所施加的荷载仅与总体坐标系相关。
        ★  如果几何模型和有限元模型同时存在,则节点坐标系的设置就有效。不管是在何时何模型上施加的荷载,如果节点坐标系重新
设置了,则荷载也跟着一并改变。所以在改变节点坐标系时应慎重,以避免出现错误。

    示例:

        finish  $ /clear  $ /prep7
        et,1,beam4                     ! 定义单元类型
        k,1  $ k,2,5  $ k,3,10         ! 创建 3 个关键点
        l,1,2  $ l,2,3                 ! 创建 2 条线
        local,12,0,,,,90               !设置 12 号局部坐标系,其 X12 轴与总体直角坐标系的 Y 轴相同,
                                       ! 而其 Y12 轴与总体坐标系的 X 轴平行,但方向相反。
        nrotat,all                     ! 此时对节点坐标系的操作无效
        dk,1,all                       ! 约束关键点 1 全部自由度
        fk,2,fy,-1000                  ! 在当前节点坐标系(与总体坐标系相同)中,对关键点 2 施加 FY=-1000
                                       ! 其力的作用方向与总体直角坐标系的 Y 轴平行。
        esize,1  $ lmesh,all           ! 划分网格,生成有限元模型
        nrotat,all                     ! 设置所有节点的节点坐标系与当前激活坐标系相同(12 号坐标系)
        LPLOT                          ! 关键点 2 上的 FY=-1000 方向与 Y12 轴平行,而与总体坐标系的 X 轴平行了

                                       !(节点坐标系改变了,荷载跟着改变)
        fk,3,fy,1000                   ! 在关键点 3 施加 FY=1000,方向与 Y12 轴平行
        f,6,fx,-1000                   ! 在节点 6 施加 FX=-1000,其方向与 X12 轴平行
        sbctran                        ! 转换所有边界条件到有限元模型
        EPLOT                          ! 显示单元与边界条件

 

三、  施加面荷载

    结构分析中的面荷载为压力,其标识符为 PRES。虽然线分布荷载和面分布荷载都称为压力,但对不同的单元类型,其荷载单位不尽相同。
        对于 2D 面单元,无论面荷载施加在单元边或边界线(LINE),其荷载单位都是“力/面积”。
        对于 SHELL 单元,施加中面法向的面荷载单位为“力/面积”,而单元边或单元边界线上的面荷载单位为“力/长度”。
        对于梁单元,其分布荷载单位为“力/长度”,单元端部荷载单位为“力”。
        对于 3D 实体单元,其面荷载的单位为“力/面积”。

    有关命令见下表:

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1.   施加节点面荷载
⑴   对节点群施加面荷载
    命令:SF, Nlist, Lab, VALUE, VALUE2
        Nlist - 节点群,可取 ALL 或组件名。
        Lab - 面荷载标识符,结构分析为 PRES。
        VALUE - 面荷载值或表格型面荷载的表格名称。
        VALUE2 - 复数输入时面荷载值的第二个值。
          ★  对于单个节点不能使用该命令。
          ★  对于 3D 体单元面,由Nlist节点群能够确定多少个单元面就施加多少单元面(与几何面无关),与单元是否被单独选择无关。

                 利用该命令可以解决大面上局部加载的问题。
          ★  对于 2D 面单元,当在单元外部边界(不是单元边)上加载时,可仅选择外部边界上的节点群即可加载;当节点群不在单元外部边界

             时,尚须单独选择包含这些节点的单元,否则不予施加。面荷载的方向与单元面平行,且指向单元面边界。该特点对于单元周边施加相

             同面荷载时比较简单,当然也可施加单元任一边的面荷载,但稍稍麻烦些。

    示例:

        !  EX4.4A 3D 单元 SF 加载示例        
        finish  $ /clear  $ /prep7
        et,1,95  $ blc4,,,10,10,20                    ! 定义单元类型,创建长方体
        esize,,4  $ vmesh,all                         ! 定义单元网格数目,划分单元网格
        asel,s,loc,y,10                               ! 选择 Y=10 的几何面
        nsla,s                                        ! 选择与面相关的节点,但不包含面边界节点
        sf,all,pres,1000                              ! 施加节点群压力荷载(力/面积),仅 4 个单元面
        asel,s,loc,z,20                               ! 选择 Z=20 的面
        nsla,s,1                                      ! 选择与面相关的所有节点
        sf,all,pres,1000                              ! 施加节点群压力荷载(力/面积),所有单元面

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    示例 2:

        !  EX4.4B 2D 单元 SF 加载示例
        FINISH  $ /CLEAR  $ /PREP7
        !  ① 定义单元,创建带孔面
        ET,1,82  $ BLC4,,,100,200
        blc4,30,60,40,80  $ asba,1,2
        wprota,,-90  $ wpoff,,,60  $ asbw,all
        !  ② 切分面,以便划分网格
        wpoff,,,80  $ asbw,all  $ wprota,,,90
        wpoff,,,30  $ asbw,all  $ wpoff,,,40
        asbw,all
        wpcsys,-1  $ ESIZE,5  $ AMESH,ALL
        /psf,PRES,NORM,2

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        SF,ALL,PRES,100                 ! 对所有单元施加面荷载,即外部边界加载
        sfdele,all,pres                 ! 删除上述面荷载

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        nsel,s,loc,x,0                   ! 选择 X=0 的节点群
        sf,all,pres,100                  ! 对上述节点群施加面荷载
        nsel,s,loc,x,15,20               ! 选择 X=15~20 的节点
        esln,s,1                         ! 选择上述节点能够确定的全部单元
        nsel,r,loc,x,15                  ! 从中选择 X=15 的节点群
        sf,all,pres,110                  ! 对上述节点群施加面荷载(内部单元的一边上)

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         nsel,s,loc,x,40,60          ! 选择 X=40~60 的节点
        nsel,r,loc,y,10,30           ! 从中选择 Y=10~30 的节点
        esln,s,1                     ! 选择上述节点能够确定的全部单元
        sf,all,pres,100              ! 对上述节点群施加面荷载(内部单元的周边上)
        lsel,s,loc,x,100             ! 选择 X=100 的线
        nsll,s,1$esln,s              ! 选择与线相关的全部节点,再选择与节点相关的全部单元
        nsel,s,loc,x,95              ! 重新选择节点群(在上述单元范围内)
        sf,all,pres,-100             ! 对上述节点群施加面荷载(内部单元的一边上)
        allsel  $ eplot

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⑵   定义节点号与面荷载的函数关系
    命令:SFFUN, Lab, Par, Par2
        Lab - 面荷载标识符,结构分析为 PRES。
        Par - 储存面荷载值的参数名(数组参数)。
        Par2 - 用于复数输入时的第二个值。
    该命令定义节点号与面荷载的函数关系,数组中值的位置(数组下标)表示节点号,数组值表示面荷载的大小。该命令对于施加由其它软件计算出的节点面荷载时比较有用,但对于ANSYS自动生成的有限元模型,其节点编号由系统自动确定,显然要直接应用这种函数关系并不容易。该命令所定义的函数关系,可用于 SF 和 SFE 命令。

    示例:

        !  EX4.5  节点号及其荷载函数
        finish  $ /clear  $ /prep7
        et,1,45  $ blc4,,,10,10,20                         ! 定义单元类型,创建长方体
        esize,5  $ vmesh,all                               ! 定义单元尺寸,划分网格
        *dim,mypres,,100                                   ! 定义数组 mppres
        *do,i,1,100  $ mypres(i)=i*10.0  $ *enddo          ! 为数组赋值
        sffun,pres,mypres(1)                               ! 定义节点号与面荷载函数关系
        nsel,s,loc,y,10  $ sf,all,pres,10                  ! 选择节点群,施加面荷载
        SFLIST                                             ! 该面荷载的节点上的值为 10+i*10
        *DO,I,1,100  $ MYPRES(I)=I*50.0  $ *ENDDO          ! 为数组重新赋值,定义另组关系
        NSEL,S,LOC,z,20  $ SF,ALL,PRES,0                   ! 选 择节点群,并施加面荷载
        ALLSEL  $ SFLIST                                   ! 列表显示所有面荷载的值

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⑶   定义面荷载梯度
    命令:SFGRAD, Lab, SLKCN, Sldir, SLZER, SLOPE
        Lab - 面荷载标识符,结构分析为 PRES。
        SLKCN - 斜率坐标系的参考号,缺省为 0(总体直角坐标系)。
        Sldir - 在 SLKCN 坐标系中梯度(或斜率)的方向,其值可取:
            =X(缺省):沿 X 方向的斜率,对非直角坐标系为 R 方向;
            =Y:沿 Y 方向的斜率,对非直角坐标系为 θ 方向;
            =Z:沿 Z 方向的斜率,对球或环坐标系为 φ 方向;
        SLZER - 斜率基值为 0 的坐标位置。如为角度则单位为度,如果奇点在 180°,则 SLZER 在 ±180° 之间,如果奇点在 0°,则 SLZER 在 0°~360° 之间。

        SLOPE - 斜率值,即单位长度或单位角度的荷载值,沿 Sldir 正方向递增为正,递减为负。
    该命令所定义的梯度(斜率)可为随后的 SF、SFE、SFL 和 SFA命令使用,每个节点处的荷载按下式计算:
        CVALUE = VALUE + (SLOPE × (COORD - SLZER))
            其中 VALUE 是命令 SF、SFE、SFL 和 SFA 中的参数值,COORD 为节点坐标。

        ★  定义的梯度仅在当前被激活,后面定义的梯度将替代前面的。
        ★  一旦设定了荷载梯度,则对随后的荷载施加命令都有效。
        ★  取消荷载梯度,无参数的 SFGRAD 命令
        ★  命令 SFGRAD,STAT 可显示当前的状态。该命令不能对 PIPE  系列单元施加梯度荷载,且该命令不能采用表格型边界条件。
    其余命令如 SFSCALE、SFCUM、SFLIST 和 SFDELE 等使用方法与前面同类命令类似。但 SFSUM 仅对节点群荷载有效(SF 命令施加的荷载),对于 SFE、SFL 及 SFA 无效。

 

2.   施加单元荷载
⑴   在单元上施加面荷载
    命令:SFE, ELEM, LKEY, Lab, KVAL, VAL1, VAL2, VAL3, VAL4
ELEM---拟施加面荷载的单元号,也可为ALL或元件名。
LKEY---与面荷载相关的荷载控制参数,缺省为1,在每个单元的帮助中有说明。
Lab---面荷载标识符,结构分析为PRES。
KVAL---当Lab=PRES时,
KVAL=0或1表示VAL1~VAL4为压力的实部
KVAL=2表示VAL1~VAL4为压力的虚部。
VAL1---第一个面荷载值或表格边界条件名称,比较典型的是在面上的第1个节点上,节点的顺序在单元中明确地给定。
VAL2~VAL4---为面上节点的第2、3、4个面荷载值,如果为空,则与VAL1相等;如果为0或其它空值则均为0;

对于2D平面单元,可对单元的任一面(实为单元边界)施加面荷载,荷载施加到该单元面的角节点上(高次单元的中间节点荷载由系统自动处理),相邻角节点的数值可以不等。
对于3D体单元,用SFE施加面荷载时也要确定面号及方向才能保证正确(可根据单元节点列表确定单元面号),同样也可施加不同的荷载值使得该面上各节点荷载不同。
    对于SHELL单元,其①和②面为底面和顶面,其余为侧面(侧边)。
SF和SFE比较而言,对2D平面单元,SF施加单元周边面荷载较为方便,而SFE则施加单元任一边面荷载较为方便;对于3D体单元,SF施加的面荷载对各节点是等值的(除非使用SFFUN定义),而SFE可施加各节点不等值和等值两种面荷载;
对于SHELL单元,SFE较SF方便。一般而言,对于通过几何模型生成的有限元模型,通过SFL和SFA命令施加荷载更加便捷,且不易出错。

⑵   在梁单元施加面荷载
命令:SFBEAM, ELEM, LKEY, Lab, VALI, VALJ, VAL2I, VAL2J, IOFFST, JOFFST
ELEM---拟施加面荷载的单元号,也可为ALL或元件名。
LKEY---荷载面号(缺省为1),在每个梁单元的帮助中有说明。
Lab---面荷载标识符,结构分析为PRES。
VALI,VALJ---节点I和J附近的荷载数值。如VALJ为空则与 VALI相同,否则为其输入值。
VAL2I,VAL2J---当前未启用。
IOFFSET---VALI荷载值的作用点离开I节点的距离。
JOFFSET---VALJ荷载值的作用点离开J节点的距离。
该命令是对梁单元(BEAM系列)施加单元荷载的惟一命令,施加到梁单元线(LINE)上的荷载不能转换到有限元模型。梁单元荷载有线性分布荷载、局部线性分布荷载、跨间集中力三种。
对于梁单元的垂直和切向分布荷载其单位为“力/长度”,而对于端部荷载则为“力”。

★线性分布荷载:如节点I和节点J的横向分布集度分别为q1和 q2,则命令为:sfbeam,elem,1,pres,q1,q2
★局部线性分布荷载,q1到节点I的距离为a1,q2到节点J的距离为a2, 则命令为: sfbeam,elem,1,pres,q1,q2,,,a1,a2
★跨间集中力:设集中力为p1,到节点I的距离为a1,则命令为:
sfbeam,elem,1,pres,p1,,,,a1,-1 !注意JOFFSET必须设为-1
所有荷载均相对于单元而言,对每个单元可施加多个LKEY不同的荷载,但对于同一LKEY值,只能施加一种。如BEAM3单元,
LKEY=1为垂直单元轴线的荷载,LKEY=2为平行单元轴线的分布荷载,而LKEY=3或4时为单元端部面荷载(力);同时可利用keyopt(10)设置长度或长度比确定IOFFSET或JOFFSET。

!EX4.7 在梁单元上施加荷载
finish$/clear$/prep7
et,1,beam3 !定义单元类型
k,1$k,2,10$l,1,2 !创建关键点和线
esize,,10$lmesh,all !定义单元数目,划分单元
/pnum,elem,1 !设置单元号显示
sfbeam,3,1,pres,50,100 !单元3施加垂直线性分布荷载,值分别为50和100
sfbeam,5,1,pres,100 !单元5施加垂直均布荷载,值为100
sfbeam,7,1,pres,50,100,,,0.2,0.1
!单元7施加垂直局部线性分布荷载,值为50和100
!50距离I节点0.2,100距离J节点为0.1
sfbeam,9,1,pres,100,,,,0.4,-1 !单元9施加集中荷载100,距离I节点0.4
sfbeam,3,2,pres,50,100,,,0.2,0.1 !单元3施加切向局部线性分布荷载

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