为了进行任何应力分析，我们需要指定作用在结构上的载荷，以研究应力模式以及适当的支撑。
在所有加载条件中，最常用的是力和压强。根据定义，压强是单位面积上的力，从而将压强与力联系起来。作为新用户，在决定针对给定情况使用哪种加载条件时常常会感到困惑 例如，在砖块放在桌子上的情况下，如果我们想分析桌子上的应力模式，我们可以用负载条件代替砖块的重量。那么，您会使用力还是压强来表示砖块的重量？
在本讲座中，我们将重点阐明力和压强在总的大小和应用方向方面的区别。
对于任何应力分析，工程师都必须指定适当的边界条件才能获得预期结果。结构应受到适当支撑的约束，并通过载荷提供激励。Ansys Mechanical 中提供了不同类型的负载。重力和其他惯性载荷以及热载荷反映了环境对我们结构的影响，并在单独的课程中进行了更详细的介绍。
我们将重点关注与施加在结构上的力相关的载荷。力用于定义未进行几何建模的其他部件对结构的影响。它可以被视为一个物体对另一个物体的总影响。例如，骑车人骑车时踩在踏板上的力，可以用踏板上的力负载来表示，而不需要对骑手的脚进行建模。
另一方面，压强通常用于定义流体在结构上每单位面积施加的力。例如，水库水对大坝内壁施加的压力。 我们通常可以测量流体的压力，并且它的作用往往是均匀的，因此我们在这种负载条件下使用压力负载。 虽然我们可能认为压强和力是相同的 — 只是面积因子的差异 — 力和压强之间的真正区别在于求解器如何处理方向和大小的定义。
力与压强在加载方向上的差异
当我们谈论施加方向时，力是在给定方向上指定的。并且在整个模拟过程中它始终保持施加的方向。
对于对结构施加压强的流体，可以忽略剪切项或切向项。因此，我们可以假设压强仅作用于面部的法线方向，即使结构变形也是如此。这就是为什么压强载荷总是垂直于面部而不是保持特定方向。
但是，请注意，我们还可以选择沿恒定“方向”定义压强，使其像力一样发挥作用。尽管这不太常用，并且不是压强载荷的默认行为。
让我们考虑一个简单的悬臂梁案例。它的一端固定，另一端有一个小面来施加负载。对于第一种情况，我们将在尖端施加力，对于第二种情况，我们将施加压强。虽然本课程的重点是小变形模拟，我们将在这里使用大变形分析来直观地区分这些情况。
对于力的情况，我们可以看到支撑处的力反作用在整个分析过程中是恒定的。它与施加的力大小相等且方向相反。
现在，对于压强的情况，通过分析我们可以看到底部的力反作用力改变了方向。最终，在这种情况下，力反作用的方向与通过模拟作用在面的法线方向上的施加压力保持相等且相反。
力与压强的符号约定
力和压强之间的另一个重要区别是载荷“符号”的含义。当压强的符号为正时，表明它会作用于表面。对于远离表面的压力，我们需要使用负号。
但当使用力时，它按照矢量或 XYZ 分量定义的方向起作用。因此，力的符号由矢量方向或 XYZ 分量符号决定，而不是由表面法线方向决定。
我们还可以选择使用现有几何图形来定义两种类型载荷的矢量方向。但需要注意的是，如果参考几何体被修改，修改前定义的加载方向将不会更新。它不会创建与几何体相关的任何关联加载方向。此功能只是为了方便用户。因此，如果我们希望根据修改后的参考几何体更新加载方向，我们将必须适当地重新选择几何。
在许多情况下，几何图形可能与全局坐标系不对齐。在这种情况下，我们可以创建一个局部坐标系然后根据局部坐标系组件定义加载方向。创建局部坐标系时，圆柱坐标系在载荷上下文中没有意义因为我们不想在径向施加载荷。所以我们只能使用局部笛卡尔坐标系。
在讨论了基于载荷施加方向的力和压强之间的差异后，让我们了解基于负载大小的差异。
力与压强的负载大小
分析师对给定设计进行仿真，然后针对不同的几何设计更新仿真的情况并不罕见。在这种情况下，在 Ansys Mechanical 中刷新几何图形后，任何力载荷都会保持所施加力的大小。然而，根据压强定义，其值保持不变，但如果范围几何体的面积发生变化，则总力大小将发生变化。
同样，考虑大变形分析。如果施加力的区域的大小因变形而发生变化，其总力则保持不变。然而，对于压强载荷，如果该区域变形并膨胀，则会导致合力大小发生变化。
在将力的范围限定到多个表面时，我们还需要小心。我们总是指定总力。总力以面积加权的方式分布在多个表面上。
让我们考虑这个例子 – 我们向两个表面施加 20 N 的力，第一个为 50 mm^2，第二个为 150 mm^2。在这种情况下，它将分别向每个表面施加 5 N 和 15 N 的力，而不是向每个表面施加 20 N 的力。
对于压强，它是由单位面积的力定义的，因此所有范围内的表面都将具有相同的压强值，但实际的力将取决于区域的大小。
现在让我们看一个示例来了解这两种类型的载荷。我们将模拟一个门把手，在水平方向上施加 40 N 的力。假设该力均匀分布在手柄的三个表面上。我们应该使用压强边界条件还是力边界条件？这两种情况等效吗？让我们来寻找这些问题的答案。
在Ansys Mechanical中打开如下门把手模型，材料为结构钢，网格大小为3mm，把手上端面设为固定支撑，选择中间上个红色面在y方向（垂直于把手表面）施加40N力并对模型进行求解。
回到Ansys Workbench，在左边的菜单栏中将“静态分析”拖至“模型”选项上，这样Ansys自动创建了另外一个分析，该分析使用相同的几何和材料。
回到Mechanical模块，可以发现在同一个项目下系统自动创建了一个机构分析B，为了在两个分析中使用相同的约束，一个简单的方法是将分析A中的约束拖至分析B。
下面我们来施加压强载荷，为了计算压强需要先知道这三个面的面积。用鼠标点选这三个面从下面的信息栏可以查看总面积。
根据压强公式不难算出作用在这三个面上的压强为0.0149MPa。
在分析B中插入该压强载荷，方向为垂直于（Normal To）门把手向内。
插入变形和应力，求解该模型。
在菜单中点击“Display”–>”Two vertical Viewports”，然后点击Sync Viewports，选择分析A和分析B的变形，查看对比结果。
同样地，点击应力查看分析结果：
我们可以发现，两个分析的结果是不一样的。
下面我们来查看载荷的反作用力，可以将载荷拉到Solution中求解得。
分析A的反作用力为在y方向上负40N，同载荷大小相等，反向相反。
分析B的反作用力为负的34N，跟载荷不符。看来应该是分析B的压强载荷设置有问题。
回头看分析B的压强载荷设置，我们留意到载荷的方向设置为“Normal To”，这意味着压强垂直于选择的表面。请注意，由于这两个曲面是弯曲的，这意味着施加在这两个曲面上的压力在全局 X 方向上具有非零分量。因此，当我们使用压强边界条件时，并非所有施加的压强都作用于全局 Y 方向。因此，当我们将压强边界条件与当前选项“Normal To”一起使用时，它并不等同于由分量定义的“力”边界条件。
为了解决这个问题，我们可以将压强载荷设为“按分量定义”，并在y方向上输入载荷大小。
求解模型，我们可以发现反作用力大小变回了40N。
再观察变形和应力的值，两个结果一致。
小结
在 3D 分析中，力载荷和压强载荷彼此相关。力和压强之间的主要区别在于它如何应用于系统。力是一个物体对另一个物体施加的总力，而压强是分布在一定区域上的力的物理量。
施加力和压强载荷时，请考虑载荷的总大小和施加方向。用户可以选择力或压强作为激励或加载模型的方式，然而，其中一种可能比另一种更容易使用且更准确。一般来说，我们的 CAD 几何体中施加力的部分可以用给定方向上的力来表示。另一方面，任何对结构施加力的流体（气体或液体）通常用压强载荷表示，前提是流体不产生剪切力，因为它们不能承载任何剪切载荷。