第二章 几何模型准备：CAD模型清理与简化

网格划分之前，有一件事我吃了不少亏才搞明白——几何模型的质量，直接决定了网格能不能画出来、画出来能不能算准。你想想看，CAD工程师画图的时候，考虑的是加工、装配、公差，不是有限元分析。那些倒角、螺纹孔、小圆角，在加工图纸上是宝贝，在网格划分里就是噩梦。

所以这一章，咱们就聊聊怎么把CAD模型收拾得服服帖帖。

2.1 为什么要清理CAD模型？

我刚开始做光机结构分析那会儿，接过一个反射镜支架的模型。CAD图里密密麻麻全是倒角，最小的R0.2。我心想，全保留吧，网格画细点。结果呢？网格数量直接飙到800万，算了一整夜，应力结果跟实验差了30%。后来把那些小倒角一删，网格降到120万，精度反而上去了。

为什么会这样？说白了，微小特征会迫使网格局部加密，但加密的区域并不是你关心的。算力全浪费在无关紧要的地方了。

2.2 去除微小特征

哪些特征该删？我一般按这个标准判断：

特征类型	处理建议	我的经验阈值
倒角/圆角	如果半径 < 最小单元尺寸的1/3，直接删	光机结构通常 < 0.5mm 的圆角全删
螺纹孔	替换为光孔，保留直径	M6以下螺纹孔直接简化
小凸台/凹槽	高度 < 1mm 且非承载区，填平	散热鳍片上的小凸起常被忽略
刻字/标记	全部删除	零件编号、logo等
薄壁加强筋	厚度 < 0.3mm 且非主要传力路径，可删	塑料件常见，金属件慎删

2.3 几何修复与布尔运算

CAD模型从不同工程师手里传过来，经常有缝隙、重叠面、错位边。这些在CAD里看不出来，一导入网格软件就原形毕露。

我记得有一次，一个镜筒模型怎么都画不出六面体网格。查了两天，发现端面有个0.01mm的微小缝隙——两个面没完全贴合。这种问题，肉眼根本看不出来。

常见的几何问题及修复方法：

• 自由边/自由面： 用「缝合」功能，容差设0.01~0.1mm
• 重叠面： 用「删除重复面」或「布尔减」操作
• 微小面/窄条面： 合并到相邻大面
• 尖角/奇异点： 切掉或倒一个小圆角（0.1mm）

布尔运算这块，我建议你记住一个原则：先合并，再分割。先把所有零件布尔成一个整体，然后再按网格策略切分。这样能避免零件之间的接触面产生重复网格。

2.4 中面抽取

光机结构里有很多薄壁件——镜筒壁、遮光罩、支撑肋板。这些零件厚度方向尺寸远小于其他两个方向，用实体网格去画，厚度方向至少需要2~3层单元，网格量一下子就上去了。

我的做法是：厚度 < 1/10 长度时，果断抽中面。

中面抽取的步骤：

1. 识别薄壁区域，厚度均匀的部分优先
2. 用中面抽取工具（HyperMesh的 midsurface、Ansys的 mid-surfacing）
3. 检查抽取结果——中面不能有缺失、重叠、错位
4. 赋予厚度属性，注意厚度方向要一致

这里有个坑：中面抽取后，连接处要处理。比如T型接头，两个中面相交的地方，需要手动切分或添加连接单元。我曾经因为没处理T型接头，算出来的刚度偏软了20%。

2.5 几何分割策略

几何分割的目的，是把复杂的模型切成若干个「可映射网格」的简单块。说白了，就是让每个小块都能用扫掠或映射网格画出来。

我常用的分割思路：

• 沿传力路径切： 力的传递方向就是网格的流向方向
• 在几何突变处切： 台阶、凸台、孔边，这些地方应力集中，需要单独切出来加密
• 对称面切： 能省一半网格量，何乐而不为？
• 按材料分界切： 不同材料界面必须对齐网格节点

下面这张图是我自己总结的几何分割流程，你可以参考：

2.6 实战案例：一个反射镜支架的清理过程

拿一个典型的反射镜支架来说，CAD模型里有：

• 12个M4螺纹孔 → 全部替换为Φ4光孔
• 26处R0.5倒角 → 全部删除
• 4个散热凸台（高0.8mm）→ 非承载区，填平
• 2处0.02mm的装配缝隙 → 缝合修复
• 3个薄壁支撑板（厚1.2mm）→ 抽中面，赋予1.2mm厚度

清理前网格量预估：350万。清理后：85万。计算时间从6小时降到40分钟。精度呢？关键区域的应力偏差不到5%。

2.7 常见问题与避坑

• 删多了怎么办？ 保留原始CAD文件，随时可以回退。我习惯在文件名上加_v1、_v2，不覆盖原文件。
• 中面抽取后厚度不均匀？ 手动测量几个关键位置，取平均值赋予厚度。如果偏差超过10%，考虑分区域赋予不同厚度。
• 布尔运算失败？ 先检查几何是否有微小缝隙，把容差调大一点再试。还不行？手动切分。
• 分割后网格不连续？ 检查分割面是否完全贴合，用「共享拓扑」或「合并节点」功能。

嗯，几何模型准备这块，说白了就是「舍得」二字。舍得删掉那些无关紧要的特征，舍得花时间做几何修复，舍得把模型切碎再重组。这些功夫下在网格划分之前，后面才能顺风顺水。