关于经典ANSYS的单位制问题.docx
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关于经典ANSYS的单位制问题
关于经典ANSYS的单位制问题
首先说下：
在Ansys中并没有定义任何一套单位制，单位制的使用全在用户自己掌握，关键是我们在使用各个量的单位时必须统一！
举个网上常用的例子：
钢的实常数为：
EX=2e11（Pa）
PRXY=0.3
DENS=7.8e3Kg/m^3
那么上面的实常数在mm单位制（即模型尺寸单位为mm）下输入到Ansys时应为
EX=2e5（MPa）
PRXY=0.3
DENS=7.8e-9tonne/mm^3
那么上面的实常数在m单位制（即模型尺寸单位为m）下输入到Ansys时应为
EX=2e11（MPa）
PRXY=0.3
DENS=7.8e+3kg/m^3
也就是说我们在Ansys里建模其单位制自己确定即可，但是必须统一。
然而问题又有了，由于Ansys建模功能不强，如果需要分析一些复杂模型是就需要其他软件进行建模然后再导入Ansys进行分析了。
可是在这过程中你就无法确定模型的单位制是否在软件互导时会出现问题，原有的模型在常见的CAD软件中（例如AUTOCAD；UG；Pro/e等等）中的单位会不会在导入Ansys后有问题，或者没问题可是在ansys分析时它又是什么单位制？
种种说不出的小问题真的会使你很不爽，你也会很心虚。
所以在此我对在ansys中直接建模就不讲了，主要讲下软件接口时Ansys的单位制问题。
在此我用一个花了我一下午时间做的实验去说明这个让人很不爽的问题：
在此我用AUTOCAD进行建模（因为本人Pro/e版本比ansys高所以没在pro/e里建模了），然后导入ansys进行分析。
例子很简单就是一个压缩模型。
在CAD中建模如下：
好的，现在们采用毫米单位制去解决这问题：
我们认为上面模型尺寸是mm（实际AUTOCAD中单位就是mm），及长度：
mm；时间：
s；重量：
Kg
那么该模型由sat接口导入Ansys后，我们把弹性模量Ex设成2e5（MPa）泊松比PRXY为0.3，采用Solid45单元体，经过全约束一端（100mm*100mm）以及在在另一端（100mm*100mm）施加1000Kg的力看下变形结果即可。
在此我们先根据理论计算下：
此柱内应力为：
（9.8*1000/0.1）/0.1=980000Pa;
加载荷一端应变量为：
980000/2e11=4.9e-6;
加载荷一端的理论压缩量为：
4.9e-6*1=4.9e-6m。
而下图是Ansys计算结果：
由于Ansys单位刚才说了是mm，所以从图中可以看出受载荷端变形量为0.004874mm，即4.874e-6m
由此总结：
1,模型单位和ansys单位制是一致的，即在ansys分析时只是在模型数量（例如长度的数值）上进行自己默认的量纲化；
2，ansys分析时用量纲之间的函数运算，所以一切衍生量纲都得跟着变化，例如：
毫米制量纲下速度是800（mm/s）,那么在米制单位下是0.8（m/s）。
2009-01-0923:
38
ANSYS中不存在单位制
所有的单位是自己统一的。
一般先确定几个物理量的单位（做过振动台试验的朋友一定会知道），然后导出其它的物理量的单位。
静力问题的基本物理量是：
长度，力，质量
比如你长度用m,力用KN而质量用g，那么应力的单位就是KN/m*m。
动力问题基本物理量是：
长度，力，质量，时间
比如长度用mm,力用N,质量用Kg而时间用s
由牛顿定律：
F=ma，均按标准单位时：
N=kg*m/（s*s）
故若长度为mm,质量为Kg，时间用s则有N*e-3=kg*mm/（s*s）
所以，正确的基本单位组合应该是：
mN（毫牛，即N*e-3）,mm,Kg,s
此时弹性模量降低10-3.
若质量用tone，则正确的基本单位组合是N，mm，tone，s
此时弹性模量降低10-6.
所以，如果你要让ANSYS的单位为国际单位制，你在输入物理量之前，先
将所有的物理量转换为国际单位制，如：
原先你的图纸上均为毫米，比如一个矩形截面尺寸是400mm*500mm，
那么，你在建模之前先转化为0.4m*0.5m
然后输入的长度为0.4和0.5，ANSYS只知道你输入的是0.4和0.5，它不知道你的单位是什么。
附上一句：
ANSYS中有一个只能从命令行输入的命令：
/UNITS,它的作用仅
仅是标记作用，让用户有个地方做标记，它没有任何单位转换的功能。
不要被他迷惑。
英文原文如下：
Theunitslabelandconversionfactorsonthiscommandareforuserconvenienc
eonlyandhavenoeffectontheanalysisordata.Thatis,/UNITSwillnotco
nvertdatabaseitemsfromonesystemtoanother（e.g.,fromBritishtoSI,etc
所有的单位基本上都与长度和力有关，因此可由长度、力和时间（秒）的量纲推出其它的量纲，下面列出常用输入数据的量纲关系：
面积＝长度2 体积＝长度3
惯性矩＝长度4 应力＝力/长度2
弹性模量（剪切模量）＝力/长度2 集中力＝力
线分布力＝力/长度 面分布力＝力/长度2
弯矩＝力×长度 重量＝力
容重＝力/长度3 质量＝重量/重力加速度＝力×秒/长度2
重力加速度＝长度/秒2 密度＝容重/重力加速度＝力×秒/长度24
例如
长度单位为mm，力单位为N时，得出的一套单位如下：
质量＝重量/重力加速度＝力×秒/长度2＝N×秒/mm＝（N×秒/m）×10＝kg×10＝Ton（吨）应力＝力/长度=N/mm＝（N/m）×10＝Mpa
可以根据自己的需要由上面的量纲关系自行修改单位系统，只要保证自封闭即可
2.1符号与单位
项目
国际单位
英制单位
ANSYS代号
长度
m
ft
时间
s
s
质量
Kg
lbm
温度
℃
oF
TEMP
力
N
lbf
能量（热量）
J
BTU
功率（热流率）
W
BTU/sec
HEAT
热流密度
W/m2
BTU/sec-ft2
HFLUX
生热速率
W/m3
BTU/sec-ft3
HGEN
导热系数
W/m-℃
BTU/sec-ft-oF
KXX
对流系数
W/m2-℃
BTU/sec-ft2-oF
HF
密度
Kg/m3
lbm/ft3
DENS
比热
J/Kg-℃
BTU/lbm-oF
C
焓
J/m3
BTU/ft3
ENTH
2.2传热学经典理论回顾
热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律。
对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出）：
式中：
—热量
—作功
—系统内能
—系统动能
—系统势能
对大多数工程传热问题：
；
通常不考虑做功：
，则
；
对于稳态热分析：
，即流入的热量等于流出的热量；
对于瞬态热分析：
，即流入流出的热传递速率
等于系统内能的变化。
2.3热传递的方式
2.3.1热传导
热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。
热传导遵循傅立叶定律：
，式中
为热流密度（W/m2），
为导热系数（W/m-℃），负号表示热量流向温度降低的方向。
2.3.2热对流
热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。
热对流可以分为两类：
自然对流和强制对流。
热对流用牛顿冷却方程来描述：
，式中
为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）；
为固体表面的温度，
为周围流体的温度。
2.3.3热辐射
热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。
物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。
热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。
实质上，在真空中的热辐射效率最高。
在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。
它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算：
，式中
为热流率，
为辐射率（黑度），
为斯蒂芬－波尔兹曼常数，约为约为5.67×10-8W/m2.K4，
为辐射面1的面积，
为由辐射面1到辐射面2的形状系数，
为辐射面1的绝对温度，
为辐射面2的绝对温度，由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。
2.4稳态传热
如果系统的净流滤为0，即流入体统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：
，则系统热稳态。
在稳态热分析中，任一节点的温度不随时间变化。
稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示）：
式中：
为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；
为节点温度向量；
为节点热流率向量，包括热生成；
ANSYS利用模型几何差数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成
、
及
。
2.5瞬态传热
瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。
在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。
根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为（以矩阵形式表示）：
式中：
为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；
为比热矩阵，考虑系统内能的增加；
为节点温度向量；
为温度对时间的导数；
为节点热流率向量，包括热生成；
2.6线性与非线性
如果有下列情况产生，则为非线性热分析：
材料热性能随温度变化，如K（T），C（T）等；
边界条件随温度变化，如h（T）等；
含有非线性单元；
考虑辐射传热；
非线性热分析的热平衡方程为：
2.7边界条件和初始条件
ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种：
温度，热流率、热流密度、对流、辐射、绝热、生热。
在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。
这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且，不同的参数的组合会有不同的作用。
有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考《ANSYSCommandsReference》。
菜单路径将近可能完整得列出，
2.8热分析误差估计
仅用于评估由于网格密度不够带来的误差；
仅适用于SOLID或SHELL的热单元（只有一个温度自由度）；
基于单元边界的热流密度的不连续；
仅对一种材料、线性、稳态热分析有效；
使用自适应网格划分可对误差进行控制。
众所周知，Ansys中并没有定义任何一套单位制，单位制的使用全在用户自己掌握，关键是我们在使用各个量的单位时必须统一。
对于我们中国人来说，国际单位制应该是大多数人的选择。
下面是国际单位制中的七个基本单位，其他所有的单位都可由这七个基本单位导出：
***************表1SI基本单位********************
量的名称单位名称单位符号
长度米m
质量千克，（公斤）kg
时间秒s
电流安（培）A
热力学温度开（尔文）K
物质的量摩托（尔）mol
发光的量坎（德拉）cd
因此，只要所有的量都表示成这七个基本单位的某种组合，就可以保证单位制不会出错！
例如，重力加速度g的单位涉及到长度和时间两个基本单位，因此在国际单位制中，重力加速度的单位必须是：
m/s^2，而在国际单位制中的数值就是9.8m/s^2。
***********************SI辅助单位***************************
弧度和球面度两个SI单位，国际计量大会并未
将它们归入基本单位和或导出单位，而称之为SI辅助单位，又称为国际单位制辅助单位。
这两个单位列于表2，它们既可以作为基本单位使用，又可以作为导出单位使用。
从原则上说，它们是无量纲量的导出单位，但从实用出发不列为SI导出单位。
使用上根据需要，既可以用弧度或球面度，也可以用“1”。
其定义见附录B。
表2SI辅助单位
量的名称单位名称单位符号
[平面]角弧度rad
立体角球面度sr
*********************SI导出单位*****************************
导出单位是用基本单位和（或）辅助单位以代数形式所表示的单位。
这种单位符号中的乘和除使用数学符号。
如速度的SI单位为米每秒（m/s），角速度的SI单位为弧度每秒（rad/s）。
属于这种形式的单位称为组合单位。
某些SI导出单位国际计量大会通过了专门的名称和符号，见表3和表4。
使用这些专门名称以及用它们表示其他导出单位，往往更为方便、明确。
如功的SI单位通常用焦耳（J）代替牛顿米（N·m），电阻率的单位通常用欧姆米（Ω·m）代替三次方米千克每三次方秒二次方安培（m3·kg/（s3·A2））。
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Ansys单位制（转）
2008年05月27日星期二00:
12
基本数量:
长度 mm
质量 tonne
力 N
时间 sec
温度 C
DENS=7.8e-9tonne/mm^3
那么上面的实常数在m单位制（即模型尺寸单位为m）下输入到Ansys时应为
EX=2e11MPa
PRXY=0.3
DENS=7.8e+3kg/m^3
为了验证其正确性，本人在Ansys中进行了模型验证。
算例：
取一Φ5H50单位为mm的梁进行静力学分析，采用Beam4单元，约束条件为末端全约束，顶端施加轴向单位载荷和单位弯矩；
在mm单位制下，梁顶端在单位载荷下的变形量为0.127e-4，
在单位弯矩（1N.mm）载荷下顶点的转角为0.81657e-5
在m单位制下，梁顶端在单位载荷下的变形量为0.127e-7，
在单位弯矩（1N.m）载荷下顶点的转角为0.81657e-2
经过理论计算得到在1N和1N.m的轴向力和弯矩作用下对于的位移为0.127e-4mm和转角0.81653e-2rad，
总结：
如果采用mm单位制下实常数输入，Ansys得到的位移单位为mm，转角单位为弧度（rad）；
如果采用m单位制下实常数输入，Ansys得到的位移单位为m，转角单位为弧度（rad）；
特别主意，施加载荷的单位是不同的，如1N.m和1N.mm。
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