F 命令是 ANSYS 参数化设计语言中用于在模型上施加节点载荷的核心命令，无论是静力学分析、模态分析还是瞬态动力学分析，最终都需要将力、压力、惯性等载荷施加到模型的节点上，而 F 命令就是完成这个任务的关键工具。
F 命令的基本概念
F 命令的全称是 Force，它直接在有限元模型的节点上定义一个集中力或力矩，这个力/力矩可以是：
- 标量：只在 Z 方向施加一个 1000N 的力。
- 矢量：施加一个具有 X, Y, Z 三个分量的力。
- 表格载荷：随时间、温度或其他变量变化的载荷。
重要提示：F 命令施加的是节点载荷，而不是实体或面上的载荷，如果你想在面上施加压力，通常会使用 SF (Surface Force) 或 SFE (Surface Effect) 命令，这些命令最终也会被 ANSYS 转换并等效到相关的节点上。
F 命令的基本语法
F 命令的基本格式如下：
F, NODE, Lab, VALUE, VALUE2, NEND, NINC
下面我们来解释每个参数的含义：
| 参数 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
NODE |
整数 | 目标节点号，你可以指定一个具体的节点号，也可以使用 ALL 来表示当前选择集中的所有节点。 |
Lab |
字符串 | 载荷标签，用于定义载荷的方向和类型，这是 F 命令最核心的部分。 |
VALUE |
实数 | 载荷值，这是载荷的大小，如果是表格载荷，这里填写表格的名称。 |
VALUE2 |
实数 | 载荷值的第二个分量（可选），主要用于定义力矩的方向。 |
NEND |
整数 | 节点号范围结束（可选）。NODE 是一个起始节点号，NEND 就是结束节点号，用于定义一个节点范围。 |
NINC |
整数 | 节点号增量（可选），在 NODE 到 NEND 的范围内，每隔 NINC 个节点施加一次载荷，默认为 1。 |
Lab (载荷标签) 的详解
Lab 参数决定了载荷的性质和方向，以下是 Lab 常用的取值：
1 施加集中力
Lab 值 |
说明 | 示例 |
|---|---|---|
FX |
X 方向的力 | F, 100, FX, 500 (在节点 100 上施加 X 方向 500N 的力) |
FY |
Y 方向的力 | F, ALL, FY, -1000 (在所有选中节点上施加 Y 方向 -1000N 的力) |
FZ |
Z 方向的力 | F, 200, FZ, 2000 |
FX, FY, FZ 可以组合使用，例如在一个节点上同时施加 X 和 Y 方向的力： |
||
F, 100, FX, 500 |
F, 100, FY, 300 |
2 施加力矩
Lab 值 |
说明 | 示例 |
|---|---|---|
MX |
绕 X 轴的力矩 | F, 100, MX, 100 (在节点 100 上施加绕 X 轴 100N·m 的力矩) |
MY |
绕 Y 轴的力矩 | F, 200, MY, 50 |
MZ |
绕 Z 轴的力矩 | F, 300, MZ, -200 |
3 施加其他类型的载荷
F 命令还可以用于施加一些特殊的载荷：
Lab 值 |
说明 | 示例 |
|---|---|---|
TEMP |
温度载荷，用于热应力分析，直接定义节点的温度值。 | F, 100, TEMP, 150 (将节点 100 的温度设为 150°C) |
FLOW |
流体流速，用于 FLOTRAN CFD 分析。 | F, 100, FLOW, 10 |
FORCE |
合力，当需要同时施加力和力矩时使用，比较复杂，不常用。 |
F 命令的实际应用示例
示例 1：在单个节点上施加一个 Z 方向的力
假设我们有一个模型,想在其顶部中心的一个节点（例如节点号 500）上施加一个 10000N 的垂直向下的力。
! /PREP7 进入前处理器 /PREP7 ! 假设模型已经建立，并选择到了节点 500 NSEL, S, NODE, , 500 ! 施加 Z 方向的力，向下为负 Z 方向 F, 500, FZ, -10000 ! 可选：将选择集恢复为全选 ALLSEL ! 检查一下，列表显示该节点上的载荷 FLIST, 500
示例 2：在一条边上的所有节点施加 X 方向的力
假设我们想选择模型上某条边（例如从节点 101 到节点 110）的所有节点，并在它们 X 方向施加一个 500N 的力。
/PREP7 ! 选择从 101 到 110 的节点，增量为 1 NSEL, S, NODE, 101, 110, 1 ! 在选中的所有节点上施加 X 方向的力 F, ALL, FX, 500 ! 恢复全选 ALLSEL ! 列表显示所有施加了 FX 载荷的节点 FLIST, ALL, FX
示例 3：施加一个表格载荷（随时间变化的力）
在瞬态动力学分析中,力的大小通常是随时间变化的，我们可以使用表格载荷来实现。
/PREP7 ! 1. 定义一个表格，名为 `TIME_FORCE` ! 表格格式：TIME, VALUE ! 在 t=0s 时，F=0N；t=1s 时，F=1000N；t=2s 时，F=0N TBLDEF, TIME_FORCE, 1, 3, 1 ! 定义数据点 (这里简化，实际应用中可以通过 *DIM 或 GUI 创建更复杂的表格) ! 假设表格已经创建好，名为 `TIME_FORCE` ! 2. 在节点 100 上施加这个随时间变化的 Z 方向力 F, 100, FZ, %TIME_FORCE% ! 注意：%符号用于引用一个参数或表格
(注：创建和管理表格载荷更推荐使用 `DIM` 命令和 GUI 界面，语法会更清晰。)*
在 Workbench 界面中的等效操作
如果你使用的是 ANSYS Workbench 的 Mechanical 界面（而不是 APDL），F 命令的操作是通过图形界面完成的：
- 在 Outline 树中，右键点击 Static Structural (或其他分析类型)。
- 选择 Insert -> Force。
- 在 Details 窗口中：
- Scoping Method: 选择载荷施加的对象，如
Geometry Selection(选择几何面/边/点) 或Named Selection(选择已命名的选择集)。 - Geometry: 在图形窗口中选择要施加力的几何位置，Mechanical 会自动将这些位置上的节点识别出来。
- Define by: 选择
Vector或Normal To。 - Magnitude: 输入力的大小，
1000 [N]。 - Direction: 定义力的方向，可以是
Global X/Y/Z、Normal To(垂直于所选表面) 或选择一个几何边来定义方向。
- Scoping Method: 选择载荷施加的对象，如
这个 GUI 操作最终会生成一个与 F 命令等效的求解器文件。
重要注意事项和最佳实践
- 单位一致性：确保你在建模时定义的所有单位（长度、力、时间等）是统一的。
F命令中的力值必须与你的单位系统一致。 - 坐标系：默认情况下，
FX,FY,FZ是在全局坐标系 中定义的，如果你想在一个局部坐标系中施加力，你需要先激活该局部坐标系 (CSYS, <编号>)，然后再施加F命令。 - 选择集：在使用
F, ALL之前，务必确保你的选择集是正确的，错误的选择会导致载荷施加在错误的节点上，使用NSEL命令仔细选择目标节点，操作完成后用ALLSEL恢复全选是个好习惯。 - 载荷覆盖：如果你对同一个节点多次施加同一方向的
F载荷，后施加的载荷会覆盖先前的载荷，但施加不同方向的载荷（例如先FX再FY）则会叠加。 - 检查：施加完载荷后，强烈建议使用
FLIST命令列表显示你施加的载荷，以验证其正确性，在 Workbench 中，可以打开 Solution Information 查看求解器输入文件来确认。
F 命令是 ANSYS APDL 中施加节点集中载荷的基础和核心，理解其语法，特别是 Lab 参数的各种取值，以及如何正确使用 NODE 参数来选择目标节点，是进行 ANSYS 有限元分析的基本功，无论是通过 APDL 命令流还是 Workbench GUI，其背后的原理都是一致的：将载荷精确地施加到模型的离散节点上。
