二、施加约束
在模型中除了要施加载荷，还要施加约束，约束也是求解计算的边界条件之一。在Mechanical 的“Environment”工具栏中可以看到各类约束，如图5.73（a）所示。在工具栏中单击相应的约束，在流程树的“Static Structural”项下可出现所添加的约束。也可以在流程树中右击“Static Structural”项，在弹出的快捷菜单中选择“Insert”按钮，选择所需添加的约束，如图5.73（b）所示。
图5.73 约束：（a）工具栏中的约束；（b）快捷菜单中的约束
类似于施加载荷，首先在图形窗口的几何体上选择作用区域，并在参数设置表的“Geometry”项单击“Apply”按钮，以指定约束作用面。再在参数设置表中设置相应的约束参数。
脊柱生物力学分析主要涉及的约束包括固定约束、位移约束和无摩擦约束等。
（一）固定约束（Fixed Support）
用于限制点、边或面的所有自由度。对于实体，将限制X、Y、Z 方向上的移动。对于面体或线体，将限制X、Y、Z 方向上的移动和绕各坐标轴的转动。如图5.74 所示，在椎骨底部施加了固定约束。
图5.74 施加固定约束
（二）位移约束（Displacement）
用于在点、边或面上施加已知位移。位移约束允许给出X、Y、Z 方向上的平动位移（在指定坐标系下）。无位移约束时，当施加特定大小的作用力，可产生相应量的位移。施加位移约束后，不论作用力大小，位移都是所指定的。如图5.75 所示，在Y 方向施加了2mm 的位移约束，而X 方向和Z 方向无约束。当某方向的位移约束为“0”值时，表示该方向是受限的，不能移动。要撤销所施加的位移约束，可单击其后三角，在弹出的选项中选择“Free”，如图5.75 所示，即可恢复该方向自由。
图5.75 施加位移约束
（三）远程位移约束（Remote Displacement）
远程位移约束与位移约束的区别是作用位置和作用点可以分开，这使得远程位移约束使用更灵活。远程位移约束使用接触对原理进行控制，即在远程位移的作用位置上产生接触单元。作用点上产生一个控制功能的目标单元，远程位移通过约束目标单元，将约束的具体数值分配到作用位置上。
当设置了作用面后（参数表的“Geometry”项），默认远程位移的作用点是作用位置的几何中心。要修改作用点，在图形窗口几何体上单击相应位置，并单击参数设置表的“Location”项的“Click to Change”，如图5.76（a）所示。再单击随后出现的“Apply”按钮，将更新作用点，如图5.76（b）所示。
图5.76 施加远程位移约束：（a）设置作用点；（b）Y 方向的平动位移约束和绕Z 轴的转动约束
远程位移的一个作用，就是可以对实体结构引入转动约束，丰富了实体模型的约束类型，可以模拟铰接连接等结构。由于作用位置和作用点可以分开，远程位移不仅可以指定X、Y、Z 方向上的平动位移，还可以指定相对于作用点在X、Y、Z 方向上的转动约束。如图5.76（b）所示，在不同于作用面的位置施加了远程位移。在参数表的“Behavior”中，默认设置为“Deformable”，表示当远程位移作用位置的面在承受约束时，变形后可以不再保持平面。对脊柱有限元分析而言，这种设置与实际情况较为符合。
（四）无摩擦约束（Frictionless Support）
用于在面上施加法向约束（固定）。如图5.77 所示，在几何体上的4 个小面指定了无摩擦约束，则它们只能进行相对滑动，不能离开所在平面。
图5.77 施加无摩擦约束