关于单位选取
2022-06-06 16:19:18
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最后修改时间:2022-06-06 19:37:44

鉴于很多初学者或是软件使用者对单位问题经常提出疑问,在此做详细的说明。

首先作为计算机程序来说,是没有所谓的单位量纲,计算机只能识别对应的数据类型进行固定程序的计算。而对于真实的物理问题,我们是需要进行统一量纲,以便正确运用物理量之间的关系进行计算,获得目标物理量。对于所有的理问题可以规定七个基本物理量,在量纲中分别用七个字母表示它们的量纲,他们是:长度{\mathrm {L}}),质量({\mathrm {M}}),温度({\mathrm {\Theta }}),电流({\mathrm {I}}),时间({\mathrm {T}}),化学量({\mathrm {N}}),光强({\mathrm {J}})。{\displaystyle \dim A=\mathrm {L^{\alpha }\,M^{\beta }\,\Theta ^{\gamma }\,I^{\delta }\,T^{\epsilon }\,N^{\zeta }\,J^{\eta }} }。对于力学问题,常见的“力”的单位即为\dim F={\mathrm {LMT^{{-2}}}},在国际单位制中:1N=1kg·s−2

结合实际问题,我将解释具体的量纲设置,简单的一维胡克方程即为F=-kx,其中F为“力”,k为“刚度系数”,x为“位移”,为了使方程左右两边的量纲一致,假设我们输入的力为牛顿(N),刚度系数为量纲LMT-2/L(力/长度),希望获取的目标物理量为毫米(mm),则可以将方程左端的力除以1000用以平衡方程量纲。对于三维弹性力学问题,通过有限元方法离散推导和分析可以获得与一维胡克方程非常类似的线性方程组表达形式,只是其中的k变成与含有杨氏模量和泊松比两个材料常数的刚度表达式,其中杨氏模量的单位为帕斯卡(Pa),泊松比是无量纲量,k可以简单认为是量纲为LMT-2/L(力/长度,该量与材料固有参数——弹性模量及模型尺度均有关,应客观根据建模单位输入,因此仍然可以用平衡量纲来获得我们要求解的位移x单位。

但为何往往我们会搞错模型单位,荷载之间的关系呢?主要问题是出在均布力与惯性力上面,均布力的单位为帕斯卡(Pa),其国际单位制下的量纲关系为1pa= 1 N/m²,量纲内有长度项,因此该量与模型尺度直接相关,我们应当非常小心处理某个面上的荷载单位,假设在米级单位模型上施加1千帕(kPa)力,不加特殊处理的话在方程左端获得F单位为kN。同样惯性力是“力”的单位,是质量与加速度的乘积,其中物体的质量是与我们输入的密度单位模型尺度直接相关的,因此错误的密度输入及不匹配的模型尺度同样会造成左端F单位的错误。当集中力、面力、惯性力同时存在时,往往用户会输错单位,造成某项荷载严重偏大或变小,使求解结果失去意义。

因此对于Ameba用户来说,我们提供的求解功能仅涉及经典弹性力学问题,用户不妨将等式左右的量纲单位作一下简单分析保证等式两端单位统一,确保求解

结果的准确稳定。

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shenwei

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