有限元分析中的材料性能单位.docx
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有限元分析中的材料性能单位
有限元分析中的材料性能单位
摘要：
本文对使用有限元软件分析工程问题时的材料性能单位问题作了一些探讨，通过实例说明了如何统一各物理量的单位，以保证分析结果的正确。
关键词：
有限元、材料性能、单位
大多数有限元计算程序都不规定所使用的物理量的单位，不同问题可以使用不同的单位，只要在一个问题中各物理量的单位统一就可以。
但是，由于在实际工程问题中可能用到多种不同单位的物理量，如果只是按照习惯采用常用的单位，表面上看单位是统一的，实际上单位却不统一，从而导致错误的计算结果。
比如，在结构分析中分别用如下单位：
长度m；时间s；质量kg；力
-N；压力、应力、弹性模量等
Pa，此时单位是统一的。
但是如果将压力单位改为
MPa，保持其余单位不变，单位就是不统一的；或者同时将长度单位改为mm，压力单位改为
MPa，保持其余单位不变，单位也是不统一的。
由此可见，对于实际工程问题，我们不能按照手工计算时的习惯来选择各物理量的单位，而是必须遵循一定的原则。
物理量的单位与所采用的单位制有关。
所有物理量可分为基本物理量和导出物理量，在结构和热计算中的基本物理量有：
质量、长度、时间和温度。
导出物理量的种类很多，如面积、体积、速度、加速度、弹性模量、压力、应力、导热率、比热、热交换系数、能量、热量、功等等，都与基本物理量之间有确定的关系。
基本物理量的单位确定了所用的单位制，然后可根据相应的公式得到各导出物理量的单位。
具体做法是：
首先确定各物理量的量纲，再根据基本物理量单位制的不同得到各物理量的具体单位。
基本物理量及其量纲：
质量m;
长度L;
时间t;
温度T。
导出物理量及其量纲：
速度：
v=L/t;
加速度：
a=L/t2;
面积：
A=L2;
体积：
V=L3;
密度：
ρ=m/L3;
力：
f=ma=mL/t2;
力矩、能量、热量、焓等：
e=fL=mL2/t2;
压力、应力、弹性模量等：
p=f/A=m/（t2L）;
热流量、功率：
ψ=e/t=mL2/t3;
导热率：
k=ψ/（LT）=mL/（t3T）;
比热：
c=e/（mT）=L2/（t2T）;
热交换系数：
Cv=e/（L2Tt）=m/（t3T）
粘性系数：
Kv=pt=m/（tL）;
熵：
S=e/T=ml2/（t2T）;
质量熵、比熵：
s=S/m=l2/（t2T）;
在选定基本物理量的单位后，可导出其余物理量的单位，可以选用的单位制很多，下面举两个常用的例子。
1基本物理量采用如下单位制：
质量mkg；
长度Lmm；
时间S；
温度K（温度K与C等价）。
各导出物理量的单位可推导如下，同时还列出了与kg-m-S
单位制或一些常用单位的关系：
速度：
v=L/t=mm/S=10-3m/S;
加速度：
a=L/t2=mm/S2=10-3m/S2;
面积：
A=L2=mm2=10-6m2;
体积：
V=L3=mm3=10-9m3;
密度：
ρ=m/L3=kg/mm3=10-9kg/m3=10-6g/cm3;
力：
f=mL/t2=kgmm/S2=103kgm/S
2=mN（牛）;
力矩、能量、热量、焓等：
e=mL2/t2=kgmm2/S2
=106kgm2/S2
=µJ（焦耳）;
压力、应力、弹性模量等：
p=m/（t2L）=kg/（S2mm）=
103kg/（S2m）=
kPa（帕）;
热流量、功率：
ψ=mL2/t3=kgmm2/S3=106
kgm2/S3=µw
（瓦）;
导热率：
k=mL/（t3T）=kgmm/（S3K）=10
3kgm/（S3
K）;
比热：
c=L2/（t2T）=mm2/（S2K）=106m2/
（S2K）;
热交换系数：
Cv=m/（t3T）=kg/（S3K）;
粘性系数：
Kv=m/（tL）=kg/（Smm）=103kg/（S
mm）;
熵：
S=mL2/（t2T）=kgmm2/（S2K）=10
-6kgm2/
（S2K）;
质量熵、比熵：
s=L2/（t2T）=mm2/（S2K）=10-6
m2/（S2K）;
2基本物理量采用如下单位制：
n质量mg；
n长度Lµm（106m）；
n时间mS（103S）；
n温度K（K与C等价）。
各导出物理量的单位可推导如下，同时还列出了与kg-m-S
单位制或一些常用单位的关系：
速度：
v=L/t=µm/mS=10-3m/S;
加速度：
a=L/t2=µm/mS2=m/S2;
面积：
A=L2=µm2=10-12m2;
体积：
V=L3=µm3=10-18m3;
密度：
ρ=m/L3=g/µm3=10-21kg/m3=10-12g
/cm3;
力：
f=mL/t2=gµm/mS2=103kgm
/S2=mN（牛）;
力矩、能量、热量、焓等：
e=mL2/t2=gµm2/
mS2=109kgm2/S2=
109J（焦耳）;
压力、应力、弹性模量等：
p=m/（t2L）=g/（mS2
µm）=109kg/（S2m）=
109Pa（帕）=GPa;
热流量、功率：
ψ=mL2/t3=gµm2/mS3=10
6kgm2/S3=10
6w（瓦）;
导热率：
k=mL/（t3T）=gµm/（mS3K）
=kgm/（S3K）;
比热：
c=L2/（t2T）=µm2/（mS2K）=106
m2/（S2K）;
热交换系数：
Cv=m/（t3T）=g/（mS3K）=103kg/
（S3K）;
粘性系数：
Kv=m/（tL）=g/（mSµm）=106kg
/（Smm）;
熵：
S=mL2/（t2T）=gµm2/（mS2K）
=10-9kgm2/
（S2K）;
质量熵、比熵：
s=L2/（t2T）=µm2/（mS2K）
=10-6m2/（S2K
）;
由此可见，掌握了单位之间变换的方法，就可以根据自己的需要来选择合适的单位制。
更多的例子见表1。
表2给出了几种单位制与
kg-m-S单位制之间的换算因子
1不同单位制的物理量单位
序号参数名单位量纲Kg-m-s
单位制Kg-mm-s
单位制T-mm-s
单位制g-mm-s
单位制
1长度LLmMm
（10-3m）Mm
（10-3m）Mm
（10-3m）
2质量MMKgKgT
（103Kg）g
（10-3Kg）
3时间ttssss
4温度TTKKKK
5面积AL2m2mm2
（10-6m2）mm2
（10-6m2）mm2
（10-6m2）
6体积VL3m3mm3
（10-9m3）mm3
（10-9m3）mm3
（10-9m3）
7力FML/t2N（牛）=Kgm/s2Kgmm/s2
（10-3N）Tmm/s2
（N）gmm/s2
（10-6N）
8密度rM/L3Kg/m3
（10-3g/cm3）Kg/mm3
（106g/cm3）T/mm3
（109g/cm3）g/mm3
（103g/cm3）
9能量、焓、
热量ML2/t2J（焦耳）=Nm
=Kgm2/S2Kgmm2/S2
（10-6J）Tmm2/S2
（10-3J）gmm2/S2
（10-9J）
10功率、热流量mL2/t3w（瓦）=J/S
=kgm2/S3kgmm2/S3
（106w）Tmm2/S3
（103w）gmm2/S3
（109w）
11压力、应力、模量M/（t2L）Pa=N/m2
=Kg/（s2m）Kg/（s2mm）
（kPa）T/（s2mm）
（MPa）g/（s2mm）
（Pa）
12导热率kML/
（t3K）J/（msK）=
（Kgm/（s3K））Kgmm/（s3K）
（10-3Kgm/
（s3K））Tmm/（s3K）
（Kgm/（s3K））gmm/（s3K）
（10-6Kgm/
（s3K））
13比热cL2/（t2K）J/（KgK）=
（m2/（s2K））mm2/（s2K）
（10-6m2/（s2K））mm2/（s2K）
（10-6m2/（s2K））mm2/（s2K）
（10-6m2/（s2K））
14体热源hM/（t2L）J/m3=
（Kg/（s2m））Kg/（s2mm）
（103Kg/（s2m））T/（s2mm）
（106Kg/（s2m））g/（s2mm）
（1.0Kg/（s2m））
15换热系数
CvM/（t3K）J/（m2sK）=
（Kg/（s3K））Kg/（s3K）
（Kg/（s3K））T/（s3K）
（103Kg/（s3K））g/（s3K）
（10-3Kg/（s3K））
16粘性系数
KvM/（Lt）Kg/（ms）Kg/（mms）
（103Kg/（ms））T/（mms）
（106g/（ms））g/（mms）
（1.0g/（ms））
17熵SML2/
（t2K）J/K
=（Kgm2/S2K）Kgmm2/S2K
（10-6Kgm2
/S2K）Tmm2/S2K
（10-3Kgm2
/S2K）gmm2/S2K
（10-9Kgm2
/S2K）
18比熵s
质量熵L2/（t2K）J/（KgK）
=（m2/S2K）mm2/S2K
（10-6m2/S2K）mm2/S2K
（10-6m2/S2K）mm2/S2K
（10-6m2/S2K）
表2不同单位制的物理量与Kg-m-s单位制的换算因子[注]
序号参数名公制单位
（Kg-m-s单位）其它单位转换到Kg-m-s
单位制kg-m-s单位转换到Kg-mm-s单位制kg-m-s单位转换到T-mm-s单位制kg-m-s单位转换到g-mm-s单位制
1长度L
mKg-mm-s数值
10-3Kg-m-s数值
103Kg-m-s数值
103Kg-m-s数值
103
2质量M
Kgg-cm-s数值
103Kg-m-s数值
1.0Kg-m-s数值
10-3Kg-m-s数值
103
3时间t
sKg-mm-s数值
1.0Kg-m-s数值
1.0Kg-m-s数值
1.0Kg-m-s数值
1.0
4温度T
KKg-mm-s数值
1.0Kg-m-s数值
1.0Kg-m-s数值
1.0Kg-m-s数值
1.0
5面积L2
m2Kg-mm-s数值
10-6Kg-m-s数值
106Kg-m-s数值
106Kg-m-s数值
106
6体积L3
m3Kg-mm-s数值
10-9Kg-m-s数值
109Kg-m-s数值
109Kg-m-s数值
109
7力ML/t2
N=Kgm/s2Kg-mm-s数值
10-3Kg-m-s数值
103Kg-m-s数值
1.0Kg-m-s数值
106
8密度M/L3
Kg/m3g-cm-s数值
103g-cm-s数值
10-6g-cm-s数值
10-9g-cm-s数值
10-3
9能量、焓
热流ML2/t2
J=Kgm2/s2Kg-mm-s数值
10-6Kg-m-s数值
106Kg-m-s数值
103Kg-m-s数值
109
10功率、热流量mL2/t3
w=kgm2/S3Kg-mm-s数值
10-6Kg-m-s数值
106Kg-m-s数值
103Kg-m-s数值
109
11压力、应力、模量M/（t2L）
Pa=Kg/（s2m）Kg-mm-s数值
106Kg-m-s数值
10-3Kg-m-s数值
10-6Kg-m-s数值
1.0
12导热率ML/（t3K）
Kgm/（s3K）Kg-m-s数值
10-3Kg-m-s数值
103Kg-m-s数值
1.0Kg-m-s数值
106
13比热L2/（t2K）
m2/（s2K）Kg-mm-s数值
10-6Kg-m-s数值
106Kg-m-s数值
106Kg-m-s数值
106
14体热源M/（t2L）
Kg/（s2m）Kg-mm-s数值
103Kg-m-s数值
10-3Kg-m-s数值
10-6Kg-m-s数值
1.0
15换热
系数M/（t3K）
Kg/（s2K）Kg-mm-s数值
1.0Kg-m-s数值
1.0Kg-m-s数值
10-3Kg-m-s数值
103
16粘性
系数M/（Lt）
Kg/（ms）Kg-mm-s数值
103Kg-m-s数值
10-3Kg-m-s数值
10-6Kg-m-s数值
1.0
17熵ML2/（Kt2）
Kgm2/（Ks2）Kg-mm-s数值
10-6Kg-m-s数值
106Kg-m-s数值
103Kg-m-s数值
109
18比熵、
质量熵L2/（t2T）
m2/（s2K）Kg-mm-s数值
10-6Kg-m-s数值
106Kg-m-s数值
106Kg-m-s数值
106
注：
后三列中给出的是将kg-m-S单位制中的数值转换到其它单位制时
（在准备输入数据时）所乘的因子；如果需要将其它单位制中的数值转换到kg-m-S单位制
（在分析计算结果时），则应该除以该因子
ANSYS中不存在单位制（nits）。
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,而不是N/m*m。
动力问题有些负杂，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
以上单位错了，因为由牛顿定律：
F=ma
所以均按标准单位时：
N=kg*m/（s*s）
所以若长度为mm,质量为Kg，时间用s则有
N*e-3=kg*mm/（s*s）
所以，正确的镜ノ蛔楹嫌Ω檬牵
mN（毫牛，即N*e-3）,mm,Kg,s
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。
哇考，应该是懂了吧。
附上一句：
ANSYS中有一个只能从命令行输入的命令：
/NITS,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：
Thenitslabelandconversionfactorsonthiscommandareforserconvenienc
eonlyandhavenoeffectontheanalysisordata.Thatis,/NITSwillnotco
nvertdatabaseitemsfromonesystemtoanother（e.g.,fromBritishtoSI,etc.）.
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