在ANSYS中，有些单元只有平移自由度，无转动自由度。对于只有平移自由度的单元，无法直接施加扭矩载荷，但是可以等效间接施加。本文介绍了几种扭矩载荷施加的方法：等效节点力法、节点耦合法及控制节点法。

下面以一个简单的轴施加扭矩载荷为例，分别简要介绍这几种方法的操作过程和结果对比。

该轴的边界条件，轴一端柱面固定，另一端柱面施加扭矩。

1、等效节点力法

该方法是将扭矩转换为力施加在轴一端柱面的节点上。每个节点分得力的大小为扭矩等效的力除节点数。首先将全局坐标系转换为柱坐标系，然后将轴柱面上的节点旋转到该柱坐标系下，最后在这些节点上施加等效的节点力，方向UY。结果如图1所示。

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图1  等效节点力载荷

2、节点耦合法：利用MASS单元

MASS单元有旋转自由度，将扭矩施加在MASS单元所在节点上，同时在该节点与轴柱面节点之间建立刚性耦合，然后在MASS单元所在节点上施加扭矩，如图2所示。

http://s1/mw690/003wVGcizy6JYTvSYKI20&690

图2  节点刚性耦合

3、控制节点法：利用MPC算法

在控制节点上建立目标单元，轴柱面上建立接触单元，两种单元同一实常数，同时将接触算法改为MPC算法。两单元之间约束类型有力分布约束、刚性约束及耦合约束三种。接触单元、目标单元如图3所示。

http://s16/mw690/003wVGcizy6JYVicYh12f&690

图3  接触对

4、求解结果对比

4.1、轴变形对比

http://s8/mw690/003wVGcizy6JYW19zaT37&690

图4  采用等效节点力法的轴位移云图

http://s5/mw690/003wVGcizy6JYWfireQa4&690

图5  采用节点耦合法的位移云图

http://s8/mw690/003wVGcizy6JYWLkwyH77&690

图6  采用控制节点法（刚性约束）的位移云图

http://s10/mw690/003wVGcizy6JYWOFxSVe9&690

图7  采用控制节点法（力分布约束）的位移云图

    比较图4和图7可知，采用等效节点力法和力分布控制节点法求得的轴位移基本一致，这两种方法都考虑了施加载荷处节点的相对位移，即载荷表面可以变形。对比图5、图6可知，采用节点耦合法和刚性控制节点法所求得的轴变形结果完全一致，这说明了采用控制节点法的有效性。

    4.2、轴应力结果对比

http://s6/mw690/003wVGcizy6JYY6DFGd05&690

图8  采用等效节点力法的轴应力云图

http://s9/mw690/003wVGcizy6JYYky1Pa98&690

图9  采用节点耦合法的轴应力云图

http://s2/mw690/003wVGcizy6JYYquE0h61&690

图10  采用刚性控制节点法轴应力云图

http://s7/mw690/003wVGcizy6JZ0FrOFE56&690
图11  采用力分布的控制节点法轴应力云图

    对比图8、图11可知，两者应力分布一致，在施加扭矩一侧没有应力集中，该侧考虑了轴表面节点的相对位移，且应力分布与实际接近。对比图9、图10可知，两种方法求得轴的应力分布基本一致，且在轴的两侧均存在应力集中现象。

    综合以上分析，在扭矩施加等效时，采用等效节点力法和力分布的控制节点法两种方法，求得的结果更接近实际情况，这两种方法对于扭矩等效更有效。