ANSYS中远端力的使用方法全解析

机械专业的学生，本科阶段大概都做过减速器的课程设计，设计过程中有一步：使用材料力学的组合变形知识对齿轮轴进行校核。笔者从材料力学书上找到了一个类似的题目：
 

本文我们只探讨绘制弯矩图和扭矩图。按照传统做法，我们首先把每个齿轮上的作用力向该齿轮所在处轴的截面形心简化：2个径向力可以根据力的可传性直接平移到传动轴上，2个切向力可以根据力的平移定理等效移动到传动轴上。绘制受力图如下：

分别绘制Z向（c）、Y向（d）的弯矩图以及扭矩图（e）如下：

  读者考虑，如果我们要在ANSYS中绘制该题的弯矩图和扭矩图，该怎么操作呢？是不是还和材料力学的做法一样，先将力向传动轴形心进行简化呢？使用ANSYS做的话，肯定不用这么麻烦了，那我们应该怎么加载齿轮上的切向力呢？下面该本文的主角  Remote Force出场了。
 

首先我们使用ANSYS求解下该题，由于今天主角是Remote Force，所以其他操作笔者简单说一下，有疑问可以私信笔者。
 

Step1：创建几何模型。

根据题目中齿轮轴的几何尺寸和受力位置，在SCDM中创建线体模型，并共享重合拓扑。

Step2：创建Path用来绘制弯矩扭矩图。

Step3：网格划分

自由网格划分，尺寸设置为20mm。

Step4：载荷及边界条件设置。

为了施加载荷及边界条件方便，我们将坐标系方位改为题目中的方位。

1 .载荷：径向力和切向力。

径向力：使用Force，位置和大小根据题目条件。

切向力：使用Remote Force，方法如下：点击Static Structural (A5)，选择Loads→Remote Force。

插入Remote Force以后，我们观察Details of Remote Force：
 

Scope：用来定义Remote Force施加对象和施加位置。

Geometry我们选择齿轮轴上安装齿轮C的点，表示我们要将Remote Force施加在这一点；选择完成后，Coordinate System自动改为施加点的坐标。
 

Coordinate System我们选择Global Coordinate System，用来确定Remote Force施加位置的坐标。根据建立的坐标系（如下图一）以及齿轮分度圆直径，确定Remote Force施加位置的坐标为（300,200,0）如下图二。

Definition主要用来确定力的施加方式、大小和方向。根据题目，力的大小为5kN，方向为Z轴方向。我们选择通过Components方式施加。

同样的方法，读者自行设置齿轮D的，加载后模型如下。施加完成后，我们发现两个力B、C确实偏离了轴线，A、D在轴线上。

2 .约束。

根据实际情况，建立约束如下。

Step5：求解及后处理。

我们绘制齿轮轴的弯矩和扭矩图，如下：
1. Mz图：
 

2. My图：

3. T图：

通过与理论结果对比，我们发现它们的弯矩扭矩图是一致的，这就说明我们的模型、简化方式、载荷和约束都是正确的。
 

我们已经学会是怎么使用Remote Force了，但它的作用原理是什么呢？首先，我们将该项目数据传递至APDL中，传递方式如下。然后右键B2 Analysis，点击Update，更新完成后再右键B2 Analysis，点击Edit in Mechanical APDL，进入APDL。

在APDL中，首先我们点击Plot→Elements显示单元。单元显示如下。
 

  为了确认  软件在计算过程中使用了哪些单元，我们在结构树中选择Preprocessing→Element Type→Add/Edit/Delete进入单元类型界面，发现计算过程中软件建立了  5种单元，其中2种参与了计算：188（单元类型号为1）和2个170单元（单元类型号为8和9）。我们知道，188单元是梁单元，用来离散齿轮轴，那么170单元是怎么使用的呢？
 

  为了  确认软件在哪个位置建立了170单元，我们首先列出各个单元。List→Elements。我们发现单元类型号为8和9的共4个，  分别为44号、45号、46号、47号单元，两个点目标单元和两个线目标单元（如下图一所示）。然后我们在图形区显示下单元号：PlotCtrls→Nurmbering。弹出Plot Nurmbering Controls界面（若下图二所示）。点击OK，图形区便显示出单元号（如下图三所示）。两个点为44和46号单元，此处未显示出单元号，读者可以使用ansys的选择工具进行验证。
 

至此，我们大概明白ANSYS是怎么实现远端力的施加了：首先在远端力的施加位置建立一个点目标单元（170单元）；然后使用一个线目标单元（170单元）将点目标单元和beam单元连接起来。在施加载荷时，将载荷施加在点目标单元上，便完成远端力的施加。

当然，我们也可以不用远端力  Remote Force来计算该题。根据理论力学知识，我们可以使用力的平移定理，将力平移到轴上，使用一个力和一个力矩来等效这个偏移轴线的力，计算出的结果和使用  Remote Force完全一致，读者可自行尝试。
 

  Workbench自问世以来，就以操作方便、易上手等优点，博取了大多数CAE工程师的青睐，无奈金无足赤，Workbench虽然优点众多，也有很多缺点：Workbench就像一个黑匣子，我们输入参数以后，虽然很容易就得到结果，但ANSYS是怎么处理、怎么计算的，我们很难知道，所以，还是要接受ANSYS经典版本（APDL）的洗礼。正如这个例子，通过Workbench虽然很容易就施加了远端力，而且绘制了弯矩扭矩图，但远端力的作用原理，我们还需要ANSYS经典来进行理解。  为什么叫它“ANSYS经典”，因为经典终究是经典，无法被取代的，才是经典。

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