压强输100，箭头却朝里？ANSA载荷施加的3个坑，第2个能让应力全错

载荷的四类分法、CLOAD/DLOAD 的完整操作路径，以及单位制那张必须背下来的对照表。

边界处理是有限元还原实际工程问题的关键一步。约束错了模型会飞，载荷错了结果会假——而且假得很像真的。



这篇整理自 ANSA/META 零基础到就业课程第三阶段业务实战《边界处理 · 载荷施加》：载荷的四类分法、在 ANSA 里的完整定义路径，以及课程专门点出的三类最容易犯的错误——其中压强方向那个坑，几乎每个新手都会踩一次。

一、载荷到底是什么：不只是「力」

载荷和约束属于同一类边界条件，是模型边界处理的第二个重要概念，同样是解决工程问题的基础。

定义：载荷就是模型受到的外部物理作用，从而导致结构发生运动、发生变形的这一类条件。它施加在模型的点、面或边界上。

通俗理解：我的模型承受了什么作用，那就是我需要定义的载荷。

这里有个很多人忽略的点：载荷不只是结构力学里提到的力，也不只是压力、压强——做温度场时，温度同样是一个载荷输入。

载荷的核心作用：在模型边界上施加载荷之后，它决定了模型的分析结果——也就是变形、应力分布、温度分布。它是有限元中还原实际工程问题的关键输入条件。

图1　载荷＝模型受到的外部物理作用；温度场的温度同样是载荷输入

1.1 两个工程例子

① 整车宏观受力分析

阻力（4 种）：

· 空气阻力　车辆行驶时受到

· 坡度阻力　爬坡时要克服重力

· 加速阻力　加速时要克服的惯性力

· 滚动阻力　轮胎向前滚动会发生变形，产生滚动阻力

动力：驱动力——发动机（或电车电机）输出的动力，最终作用到车轮上，去克服上述阻力，从而实现加速和爬坡。

→ 以整车为分析对象时，这些力就是我们要施加的载荷。做车身爬坡过程的受力与变形分析，就需要输入这些边界载荷条件。

② 桥梁宏观受力分析

· 自身重力载荷

· 侧向风载荷——因为结构比较大

· 水流冲击载荷——建在河流上或海边的海湾大桥

→ 这些周围环境作用给结构的载荷，都需要在模型里进行模拟。

注意：风阻、水力载荷、滚动阻力……这些载荷的作用形式和作用范围都是不同的，所以后面要分类，不同类型的定义方法也稍有区别。

二、载荷的四类分法

按作用形式或来源，有限元仿真里能用的载荷分为四类：

① 集中载荷（CLOAD）　→ 作用点：单个节点

把作用力简化后作用到单个节点上。可以是力，也可以是力矩。这是常规分析里最常见、也是结构分析最常施加的一种载荷。

典型场景：

· 空中吊车 / 起重机——考虑吊物重物的作用时，重物的作用点可以简化到一个节点上，相对起重机就是集中载荷

· 齿轮啮合冲击——齿与齿的结合面虽然是面载荷或线载荷，但相对齿轮来说，同样可以看作一类集中载荷

② 分布载荷（面载荷）　→ 作用范围：一个面

相对于单点作用，作用到一个面上的载荷。

典型场景：风力发电机叶片的风载荷、压力容器的内压、建筑与风电的迎风面受载。

特点：实际工程中很多是非均匀载荷。做有限元简化时，可以简化成均匀分布，也可以沿结构非均匀分布。

流固耦合的标准做法：先做流场分析得到面载荷分布，再把面载荷映射到结构分析里，从而实现非均匀分布。

③ 体载荷　→ 作用范围：整个零部件

作用到整个零部件上，整个零部件全域处于受力状态。常见的是重力和离心力（惯性力）。

必须考虑：自重较重的物体（建筑高楼、桥梁）；大型吊装结构（吊装重物是集中载荷，但自身重量也不能忽略，那是体载荷）；大型风电（辅材虽轻，重力作用也不能忽略）；做旋转运动分析时的离心力/惯性力。

可以忽略：分析小零部件时（比如拉伸试验的小试样），重力可以忽略掉。

④ 场载荷　→ 来源：其他物理场

做多物理场分析时，除了结构场受到的力、风载、重力、集中力之外，温度场或电磁场的场力作用给分析对象，这也是一类载荷。

严格说，重力也是一种场载荷（重力场）；但狭义上「场载荷」更多指温度场或电磁场。

最常见：做热结构耦合的热应力分析时定义的温度场——温度也是一种载荷。

载荷定义的核心就是两部分

① 大小与方向　这是载荷自身的属性

② 作用范围 / 作用点　这是怎么加上去的问题

结构分析里最常见的是前两类：集中载荷（作用在点）和分布载荷（作用在表面）；后两类基本作用在整个体积内。

图2　集中载荷：作用力简化到单个节点，可以是力也可以是力矩

三、ANSA 里的定义路径

在求解器下面操作。路径同样有一个 LOAD 载荷命令组，在这个命令组下定义：

命令　→　对应载荷类型

CLOAD　→　集中载荷（C = Concentrated）

DLOAD　→　分布载荷，也就是面载荷和体载荷（D = Distributed）

课程里特意点了一句：通过这两个英文缩写，概括其实更形象——DLOAD 属于分布式载荷，分布到面上，或者分布到整个体空间；CLOAD 就是集中载荷。记住缩写含义，就不容易选错命令。

图3　LOAD 命令组：CLOAD 集中载荷、DLOAD 分布载荷（面/体）

四、拉伸实例：三种载荷各走一遍

用拉伸实验来演示。拉伸试验既有边界条件也有载荷：实验台一端夹紧试样的一端 → 这一端是固定约束；另一端施加拉伸载荷。拉伸过程不考虑重力，但也顺便演示体载荷的定义。

第 0 步｜先把约束定义好

模型一端已经用 MPC 做了抓取。定义约束时切换到 BOUNDARY_NODE，选择主节点，约束直接选固定，即 1、2、3、4、5、6 六个自由度全部约束。定义完可以在结构树里查看。多余的可以删掉，保留一个即可。

图4　BOUNDARY_NODE 下选主节点，固定约束 1~6 六个自由度

① 集中载荷：最大的坑是「直接选一个节点」

集中载荷在边界下面的 LOAD → LOAD 下面的 CLOAD。选择方式有三种：节点、几何、分布集合，常用的是选择节点。

如果直接选择中间的某个节点来定义——从定义本身来说没有问题，但和物理实际比较的话是不准确的。因为载荷是作用到整个端头的，这样单独选取模型当中的某一个节点施加载荷，容易造成模型计算报错，也和实际物理不符。

✓ 正确做法（和做边界约束一样的思路）：

1　先添加一个 MPC，选择这个面 → 会生成一个主点 → 点确定

2　此时这个面的运动状态就是一致的

3　再选择集中载荷、选择 node，在刚定义的这个主点上点击 OK

原理：边界约束虽然是在一个主点上施加了全约束，但它的从点是整个面，这与把整个面做固定约束结果是一样的。集中载荷同理。

图5　正确做法：先加 MPC 选面生成主点，再把集中载荷加在主点上

集中载荷的定义项

· Step　这个集中载荷定义在第一个载荷步下面

· 节点号　例如 16337（就是刚才 MPC 生成的主点）

· 方向　默认是 X 方向，但这个模型的拉伸方向是 Z 向，所以要切换成 Z 向加载

· 大小　假设 1100 N 进行拉伸 → OK

图6　集中载荷三要素：作用点（主点）、方向（切到 Z 向）、大小（1100 N）

定义完成后，在结构树的 LOAD 里激活就能看到 CLOAD 的定义。载荷显示的三要素：一个单向箭头（作用方向）、大小、作用点——三者都定义好了，这个集中载荷就算完成了。

五、面载荷：压强方向这个坑，几乎人人踩

先把集中载荷和抓取的 MPC 都删掉，改用面载荷。

操作路径：

1　选择 DISTRIBUTED（分布式载荷）→ 压强载荷

2　通过单元进行选择；用角度筛选表面

3　点击鼠标中键，弹出对话框

4　面载荷类型选 P（压强载荷），它的单位是单位面积上受力的大小

5　假设给 100，作用到一个面上 → OK

★★★ 坑：箭头指向内，和你要的拉伸方向相反

定义完之后，在结构树下面会多出一个 DLOAD。激活它，会发现面载荷的箭头是指向内的，和我们预定义的拉伸方向是相反的！

原因：在一般默认情况下，压强都是垂直于面、作用到面上的（即指向面内）。

✓ 正确做法：在定义这种面载荷时，如果要表示「拉」，初始定义就要给反方向的值。

所以：删除（delete）刚才的定义 → 重新选择面 → 点击中键 → 这次输入 −100 → OK。

这时候再激活查看，箭头就指向上（拉伸方向）了，面载荷才定义正确。

图7　输入 +100 时箭头指向面内——与预定义的拉伸方向相反

图8　改成 −100 后箭头指向上，才是真正的拉伸载荷

六、体载荷：重力场怎么定义

定义重力（Gravity）：

· 作用对象　默认情况下，是对整个分析模型定义一个重力场

· 载荷类型　属于重力

· 大小9850

· 方向　用 X、Y、Z 三个分量定义；如果重力场沿 Z 向，就把 Z 定义成 −1（朝下）

· 定义完，结构树里会多出一个重力分布式载荷；激活后可以看到箭头沿 Z 向向下的整个重力场

· 要改成沿 Y 向 → 把 Y 定义成 −1、Z 改成 0，箭头方向就变了

重力场定义要注意两件事：

① 重力场的大小　② 用 X/Y/Z 分量定义重力场的方向

图9　重力场：大小 9850，方向由 X/Y/Z 分量决定（Z = −1 表示朝下）

七、三类最容易犯的错误

错误 1｜单位不统一（初学者最头疼）

为什么容易错：传统的有限元软件在定义数字的时候，是没有单位显示的（现在一些新软件可能会有）。它的单位制是通过统一单位制来控制的——你使用一套默认的单位制系统，所有物理量都统一按这一套去定义。

典型例子：材料密度。钢材的密度，数字写法完全取决于你选的单位制：

7.85e-9　→　吨 / 毫米³（质量单位是吨、长度单位是毫米）

7.85e-6　→　千克 / 毫米³（吨换成千克，就是负 6 次方）

7850（7.85e3）　→　千克 / 米³（国际单位：毫米转米是 9 次方）

7.85　→　吨 / 米³

★ 机械结构静力分析的标准单位制（建议直接背下来）

长度 毫米　·　质量 吨　·　时间 秒

由此推导出：

· 应力 → MPa（兆帕）

· 力 → N（牛）

· 杨氏模量 → 2.1e5（MPa）

· 密度 → 7.85e-9（吨/毫米³）

· 重力加速度 → 9850，代表 9850 毫米 / 秒²

为什么机械行业用毫米？因为机械结构零件设计的长度单位一般都用毫米——它需要有一个长度精度的控制。所以机械结构设计这块都用毫米。

但如果你做的是大型桥梁设计，用的是厘米，那你就要转化成相应的厘米单位制。所以：搞清楚自己所在行业、常分析的物理问题适合哪个单位制，熟悉这些常用参数，使单位制保持统一。

图10　毫米-吨-秒单位制：MPa、N、E=2.1e5、ρ=7.85e-9、g=9850

错误 2｜载荷的作用范围定义不合适

定义集中载荷时，可能要抓取一个 MPC 之后在主点上定义。这里有两个反面做法：

✗ 直接把集中载荷定义到网格的单个节点上　→ 容易造成计算报错

✗ 把集中载荷定义到一条线上　→ 容易产生应力集中，对做结果判定时会起到误导作用

✓ 正确做法：即使是集中载荷，也尽量定义到一个「小的作用面」上。例如：

· 定义到一个单元的四个节点上

· 或定义到几个单元上

· 或采用 MPC、或 RBE2 / RBE3 这样的约束单元，把几个单元抓取之后，定义到这些主点上

错误 3｜重力场的作用范围没选

定义重力场时，默认条件是作用于整个模型。

但在做一些简化分析时，我们可能只想对模型的某些零部件考虑重力场或加速度的作用。

→ 所以定义重力场时，一定要选择作用范围：在作用范围里选择一个单元集合，这样重力场就仅作用于这些被选择的对象。

图11　载荷作用范围：用小作用面或 MPC/RBE2 主点，别用单节点或单条线

✅ 载荷施加速查

1. 载荷 ≠ 只有力：温度场的温度、电磁场的场力，都是载荷

2. 四类：集中载荷（单节点，力或力矩）· 分布载荷（面，风载/内压）· 体载荷（整个零部件，重力/离心力）· 场载荷（温度场/电磁场）

3. 定义两部分：大小与方向（载荷自身属性）+ 作用范围/作用点

4. ANSA 路径：求解器 → LOAD 命令组 → CLOAD（集中）/ DLOAD（面载荷与体载荷）

5. 约束：BOUNDARY_NODE 选主节点，固定 = 1~6

6. 集中载荷正确姿势：先加 MPC 选面生成主点 → 再把 CLOAD 加在主点上；别直接加在单个网格节点上

7. 集中载荷三要素：Step（载荷步）、节点号、方向（注意模型拉伸方向是 Z 就切 Z）、大小

8. ★ 压强方向：默认垂直于面指向面内 → 要表示「拉」就输负值（−100）

9. 重力：大小 9850 + X/Y/Z 分量定方向（Z=−1 朝下）；简化分析要选作用范围（单元集合）

10. ★ 单位制：机械结构静力分析 = 毫米-吨-秒 → MPa / N / E=2.1e5 / ρ=7.85e-9 / g=9850

11. 别用：单节点（易报错）、一条线（应力集中会误导结果判定）

课程最后的话：下来一定要结合上一讲的边界约束和这一讲的边界载荷做深入理解和练习。因为模型边界的处理，是我们解决实际工程问题的关键步骤——问题分析得是否准确、能否复现实际的失效问题，边界处理是非常关键的一步。

【配套资料领取】

扫码添加小助理回复关键词【ANSA载荷】。领取本篇配套资料包:①核心知识点速查；②操作步骤checklist；③参数公式与排错表。