OptiStruct中FORCE卡片的详细解析

在OptiStruct的载荷定义体系中，FORCE作为Bulk Data Entry（批量数据条目）的重要成员，用于在单个网格点或网格点集 合上定义静态力载荷，通过向量形式精确指定力的大小与方向，同时支持动态载荷关联及大位移分析中的随从载荷功能，是结构分析中集中力施加的核心工具。

一、FORCE卡片的核心功能与适用场景

FORCE卡片的功能聚焦于网格点集中力的精细化定义，主要特点如下：

1. 1. 精准的力向量定义：通过坐标系（CID）和向量分量（N1-N2-N3）明确力的方向，结合比例因子（F）确定力的大小，实现任意方向集中力的施加。
2. 2. 灵活的加载对象：可对单个网格点（GID）、网格点集 合（GSETID配合GSET续行）或部件内的局部网格点（通过“PartName.number”格式）施加载荷，兼顾单节点与批量加载需求。
3. 3. 多分析场景适配：同时支持隐式（Implicit）和显式（Explicit）分析，可作为RLOAD1、RLOAD2、TLOAD1、TLOAD2等动态载荷卡片中EXCITEID字段（振幅“A”）的数据源，还能在大位移非线性分析中通过“FLLW=ROT”定义旋转随从载荷（力方向随节点转动而调整）。
4. 4. 坐标系兼容性：支持基础坐标系（CID=0）、局部坐标系或用户自定义坐标系，力向量分量基于指定坐标系计算，确保方向定义的准确性。

二、FORCE卡片的格式与示例

1. 标准格式

FORCE采用“主行+可选GSET续行”的10列固定格式，主行定义力的核心参数，续行用于标识网格点集 合，结构如下：

2. 应用示例

  FORCE    2    5    6    2.9    0.0    1.0    0.0    ROT    

含义：在编号为2的载荷集（SID=2）下，对网格点5（GID=5）施加集中力——力的方向由6号坐标系（CID=6）中的向量（0.0,1.0,0.0）定义（即沿该坐标系Y轴方向），比例因子F=2.9，故实际力大小为2.9倍向量模长；FLLW=ROT表示启用旋转随从效应，力方向会随网格点5的转动而调整。

三、各字段的详细定义

四、关键使用规则与注意事项

1. 力的计算方式

实际施加到网格点的力向量按以下公式计算：
→f = F × →N
其中，→N为（N1,N2,N3）定义的单位向量（方向），F为比例因子（决定大小）。例如：若N1=0、N2=1、N3=0（Y轴方向），F=100，则实际力为沿CID坐标系Y轴的100单位力。

2. 坐标系与方向的关系

• • 当CID=0（基础坐标系）时，N1、N2、N3分别对应全局X、Y、Z轴方向。
• • 当CID为局部坐标系（如节点坐标系、部件坐标系）时，向量分量基于该局部坐标系计算，适合定义与结构几何相关的力方向（如沿梁单元轴线的力）。

3. 随从载荷（FLLW=ROT）的使用条件

• • 适用场景：仅在大位移非线性分析中有效，用于模拟力方向随结构变形而变化的工况（如旋转部件上的径向力）。
• • 限制条件：若网格点无旋转自由度（如仅定义平动DOF的节点），FLLW=ROT会被忽略，力方向保持固定。
• • 激活要求：需同时在分析控制中设置PARAM,FLLWER或FLLW卡片配合FLLWER子工况信息，否则即使FLLW=ROT也不生效。

4. 网格点集 合的批量加载

当GID/GSETID为集 合标识时，必须通过GSET续行明确集 合名称（如GSET NODE_SET），集 合需预先通过SET卡片定义，支持字符串标签（最长8个字符），便于批量管理网格点载荷。

5. 部件内局部网格点的引用

通过“PartName.number”格式（如PART1.5）可引用特定部件内编号为5的局部网格点，适用于采用部件-实例建模方式的复杂装配体，避免不同部件间网格点ID冲突。

五、工程应用场景

FORCE卡片的典型应用包括：

• • 机械结构中集中力的施加（如螺栓预紧力、轴承对轴的支撑力）。
• • 动力学分析中激励力的定义（如发动机对底盘的激励，作为RLOAD1的振幅源）。
• • 大位移分析中随结构转动的力（如风力发电机叶片上的气动载荷，随叶片旋转调整方向）。
• • 批量网格点加载（如多点约束处的均布力，通过GSET集 合一次性定义）。

掌握FORCE卡片的核心是理解“力向量的坐标系定义”和“比例因子的作用”，尤其在复杂工况下，需明确力的方向是否随结构变形调整（FLLW=ROT的使用）。在HyperMesh等前处理软件中，FORCE可通过图形界面直接拾取网格点、选择坐标系并可视化力向量，大幅简化参数设置过程。