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CAE中的单位协同及其在刚柔耦合多体动力学分析上的应用

2012/4/8    来源:万方数据    作者:何灿峰      
关键字:CAE  刚柔耦合  单位协同  数据交换  多体动力学  
本文在研究CAE中不同单位制之间的相互关系的前提下,通过ANSYS和RecurDyn联合分析,验证两者间的单位协同机制,从而找出各自在参数输入输出方面应遵循的准则。给国内CAE技术人员在单位管理方面提供借鉴,特别地,对ANSYS和RecurDyn间的数据交换提供示范。

0 引言

    随着计算数学理论和计算机技术的发展,出现了一大批成熟的CAE软件。由于各种软件均有其局限性,为了解决工程问题,往往要同时用到多种CAE软件,联合各种软件的优势完成工作。

    正因为存在联合多种软件解决问题的需要,各种软件间的数据交换就显得尤为重要,而不同软件之间的单位协同在数据交换中起着决定性的作用,有必要进行探讨。本文阐述了CAE软件中的单位问题,研究了常用单位制及其相互之间的转换,并介绍了单位设置在ANSYS和RecurDyn刚柔耦合多体动力学分析上的应用。

    本文着重论证ANSYS和RecurDyn的单位协同,得出各自在参数输入输出方面应遵循的准则:不同单位制的数据转换应以单位制下的单值量纲为基准,参数输入输出根据不同软件在不同单位制下普通单位的不同而有所差异。

1 ANSYS和RecurDyn的单位协同

    1.1 CAE中的材料性能单位

    大多数CAE软件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。如果单位不统一,容易在计算过程中出现奇异或数据溢出,从而导致不收敛。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,Pa等,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,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、热量和功等,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。本文只对与结构有关的物理量进行讨论。

    实际上,单位制的统一并不是表面上的单位统一,而是各物理量在量纲上的统一。例如:

    a.静力问题。基本物理量是长度、力和质量。如果长度用m,力用kN而质量用g,那么应力的单位就是kN/m2,而不是N/m2

    b.动力问题。基本物理量是长度、力、质量和时间。如果长度用mm,时间用s,质量用kg,而力用N是有问题的。根据牛顿第二定律,所有单位均按标准单位时,N=kg·m/s2。但如果长度为mm,质量为kg,时间用s,则有mN=kg·mm/s2。所以,正确的基本单位组合应该是mN,mm,kg,s。

    总之,要做到单位制统一,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导出物理量的具体单位。

    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。

    常用单位制的物理量单位及其相互之间的转换关系如表1和表2所示。

    表1 常用单位制的物理量单位

常用单位制的物理量单位

    表2 不同单位制的物理量与kg-m-s单位制的换算因子

不同单位制的物理量与kg-m-s单位制的换算因子

    表2中,第4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。

 

责任编辑:程玥
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