abaqus单位怎么设置_有限元分析中的单位

有限元分析作为一种强有力的数值分析方法,已经成为高校和企业研发部门不可或缺的工具。目前,结构分析领域常用的有限元分析工具包括ANSYS、Abaqus、LS-DYNA、HyperWorks等。

多数有限元分析工具都不规定所使用的物理量的单位,建模过程中的材料、载荷输入,以及计算结果都只有一个数值。因此,很多刚开始接触有限元分析的朋友可能都有一个疑问,那它们的单位是什么?下面以ANSYS为例来讨论这个问题。

ANSYS中的单位问题

ANSYS自11.0版本开始,在MAPDL版本的基础上,增加了Workbench版本。相较于MAPDL,Workbench极大的降低了用户的上手难度,随着版本的更新功能不断完善,现在越来越多的ANSYS老用户已经转向于应用Workbench。

ANSYS Workbench自带材料库,包含常用材料的力学参数,方便直接选用。另外,即使用户自己定义材料,可以选择不同的"Unit"输入“Value”,如下图。

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Property of Structural Steel in ANSYS Workbench

除了材料定义,ANSYS Workbench中力、位移载荷的定义,以及计算结果,都给出明确的单位信息,如下图的结构应力分析结果。

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​ANSYS Workbench 应力分析结果

从以上信息可以看到,ANSYS Workbench的输入输出数据都包含单位信息,用户基本不会有疑惑。

然而,ANSYS MAPDL以及Abaqus、LS-DYNA中定义材料参数或是载荷,是没有单位信息的,用户只需要输入一个数值。

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ANSYS MAPDL中定义线弹性材料

那么,如何确定这些分析软件输入输出数据的单位呢?答案是,软件只负责数值计算,用户需要保证各物理量输入数据量纲一致性,并知晓计算结果的单位

举个例子,比如一根等截面的直杆受轴向拉力,计算横截面的正应力。分析软件根据公式 应力=拉力/截面积 算出截面正应力数值,如果用户输入拉力时用的单位是

,输入截面积时用的单位
,则软件给出的应力结果单位应该是
;但如果用户输入拉力时用的单位是牛顿
,输入截面积时用的单位
,则软件给出的应力结果单位应该是

常用单位系统

为了保证有限元模型中各物理量单位的一致性,同时避免自己推导时出错,可以参照现有的单位系统。根据分析问题的尺度,选择一套合适的单位系统,然后各物理量均按照该单位系统的单位输入数值。

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有限元计算中常用的单位制 来源:新浪博客Glulam

可以简单推导一下。比如结构分析中,常用的几个基本量纲单位:长度

,质量
,时间
,则可以推导出力的单位为
(公式
),应力(或弹性模量)的单位为
(公式
),密度的单位
(公式
)。

常见误区

1)在ANSYS MAPDL命令流窗口输入 /units, si 将单位设置成国际单位?

ANSYS官方关于/units命令的部分说明如下,特别强调了该命令只是生成一个记录模型所采用的单位系统的标记,并不会将模型的数据从一个单位系统转换到另一个系统。

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以前经常从日本同事那边获取有限元模型,但他们模型里面的材料单位系统和我们不太一样,模型中材料种类又比较多,全部重新定义要花不少时间。因此,专门写了一段APDL代码,读入他们的模型,将材料数据转换成我们习惯采用的单位系统。

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