一、施加载荷
载荷是Mechanical 求解计算的边界条件之一，静力分析所施加的载荷主要有外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力（例如离心力）、位移载荷和热载荷等。Mechanical中提供了惯性载荷、结构载荷、结构约束和热载荷等4 类载荷，可以将多种载荷组合起来进行分析。
在Mechanical 的“Environment”工具栏中可以看到各类载荷，如图5.63（a）所示。脊柱生物力学分析主要涉及力载荷，包括压力“Pressure”、集中力“Force”或远程力“Remote Force”、力矩“Moment”等。
图5.63 载荷：（a）工具栏中的载荷；（b）快捷菜单中的载荷
【操作步骤】
①插入载荷。在工具栏中单击相应的载荷，在流程树的“Static Structural”项下出现所添加的载荷，如图5.64 所示。也可以在Mechanical 的流程树中右击“Static Structural”项，在弹出的快捷菜单中选择“Insert”按钮，选择所需添加的载荷，如图5.63（b）所示。
②指定载荷的作用区域。使用工具栏的“选择面”按钮，在图形窗口中的几何体上选中施加载荷的作用面，如图5.65 所示，并在参数设置表的“Geometry”项单击“Apply”按钮。
③设置载荷的大小和方向。在参数表中通常有矢量方式和分量方式来设置载荷。在参数表的“Define by”选项中指定方式，如图5.66（a）所示。
图5.64 插入的载荷
图5.65 指定载荷的作用区域
图5.66 设置载荷的大小和方向：（a）方式选择；（b）矢量方式；（c）分量方式
当采用矢量方式时，参数表出现“Magnitude”项，如图5.66（b）所示。在其中设置压力大小，并在其下方的“Direction”项中单击“Apply”按钮，从而使用图形窗口几何体上通过鼠标拖动指定的方向。
当采用分量方式时，参数表出现“Coordinate System”项，其默认值为系统坐标，即“Global Coordinate System”，如图5.66（c）所示。在下方具体设置X、Y、Z 三个方向分量的载荷值。
还可以使用自定义坐标系。右击流程树的“Coordinate Systems”项，在弹出的快捷菜单中选择“Insert”→“Coordinate System”按钮，如图5.67（a）所示，将插入自定义坐标系。然后，在图形窗口中的几何体上单击相应位置后，在参数设置窗口的“Geometry”项中单击“Apply”按钮，如图5.67（b）所示，以指定自定义坐标系的原点。此时出现系统初始给出的坐标系，如图5.67（c）所示。在如图5.68 所示的“Corrdinate Systems”工具栏中，根据需要依次单击对特定坐标轴进行平移、旋转、翻转的按钮，并在参数表的“Transformations”选项卡中指定相应的数值，如图5.67（d）所示。通过对初始坐标系进行平移、旋转或翻转来自定义坐标系。
完成自定义坐标系后，可在载荷设置参数表的“Coordinate System”项中选择自定义的坐标系，如图5.69 所示，即可在其下方具体设置自定义坐标系中X、Y、Z 三个方向分量的载荷值。
图5.67 自定义坐标系：（a）插入坐标系；（b）指定原点；（c）初始坐标系；（d）自定义的坐标系
图5.68 “Corrdinate Systems”工具栏
图5.69 压力设置中使用自定义坐标系
（一）压力（Pressure）
压力载荷通常以与面正交的方向施加在面上，单位是单位面积的力。压力参数表的“Define by”选项默认为“Normal To”，即压力与作用面正交，如图5.70（a）所示。此时在参数表的“Magnitude”项设置压力的大小，正值表示压力指向作用面内，负值表示压力指向面外。如果使用分量方式，设置X、Y、Z 三个方向分量的压力值，正值表示与坐标轴同向，负值表示与坐标轴反向，如图5.70（b）所示。
图5.70 施加压力：（a）设置与作用面垂直的压力；（b）设置压力分量
（二）集中力（Force）
集中力可以施加在点、边或面上。集中力将均匀分布在所有实体上，如图5.71 所示为施加在椎体上终板面上的集中力。
图5.71 施加集中力
（三）远程力（Remote Force）
远程力是指给实体的面或边施加一个远程的力载荷，需要指定其原点（可以附于几何体上或用坐标指定）。以矢量或分量的形式定义远程力。
（四）力矩（Moment）
对于实体，力矩只能施加在面上。如果选择了多个面，所施加的力矩将均匀分布在各面上。对于面，力矩可以施加在点上、边上或面上。力矩的单位是力乘以距离。当以矢量形式定义力矩时遵循右手螺旋法则。当以分量形式定义力矩时，正值表示绕坐标轴正向，负值表示绕坐标轴反向。对脊柱有限元分析，通常是以分量的形式定义力矩。如图5.72 所示的例子中，绕Y 轴施加30N·mm 的力矩。
图5.72 施加力矩