3. 几何建模与仿真前处理

仿真结果的可靠性，往往在网格生成之前就已经被几何模型决定了。CAD 模型服务于制造与装配，而仿真模型服务于求解器：它需要的是封闭、无干涉、拓扑简单且能承载边界条件的“计算域”。因此，面向仿真的几何处理不是简单地把图纸导入软件，而是一次有目的的重构——简化掉对结果影响可忽略的细节，清理掉导致网格失败的几何缺陷，再把关键尺寸参数化，使模型能够被反复驱动优化。

一、几何简化：删掉不影响结论的细节

简化前必须先判断“哪些细节对当前分析目标不敏感”。以一块 200 mm × 120 mm × 8 mm 的铝合金支架板为例，若分析目标是整体弯曲刚度，那么直径 3 mm 的倒角、M4 螺纹孔内的牙型、0.5 mm 深的装饰刻线都属于可去除特征；但若分析目标是孔边应力集中，则孔本身必须保留，只是螺纹牙型可简化为光孔。简化的常用手段包括：

• 去特征：删除小圆角、倒角、刻字、logo、工艺凸台，一般以“特征尺寸小于全局网格尺寸的 1/3”作为可删阈值。
• 降维：厚度远小于另外两维的薄板可抽为中面壳单元，细长杆可抽为梁单元，轴对称体可抽为 2D 轴对称模型。
• 填充与合并：把螺栓连接区简化为绑定接触或刚性连接，把焊缝简化为连续实体，把装配体中的小间隙填实。
• 对称利用：几何、载荷、约束均对称时，只建 1/2 或 1/4 模型，配合对称边界条件，可显著降低规模。

简化必须留痕。建议在模型树中单独建立“SIMPLIFIED”图层，保留原始 CAD 作为参照，并在分析报告中记录每一条简化假设及其理由，否则后续复核时无法判断误差来源。

二、几何清理：让模型能被网格“吃下去”

从 STEP、IGES 或原生 CAD 导入的模型，常带有自由边、重复面、微小面片、尖角、自相交等缺陷。这些缺陷不会影响渲染，却会让网格划分直接失败或生成畸形单元。清理的典型流程是：先做几何诊断，找出自由边与缝隙；再缝合公差范围内的边（常用缝合公差 0.01～0.05 mm，需小于最小特征尺寸）；然后修复或重建破损面，删除面积小于网格尺寸平方的碎面；最后检查实体是否封闭、法向是否一致。

一个常见陷阱是“缝合公差给得过大”。若把公差设为 0.5 mm，虽然缝隙被强行缝合，但相邻面的几何被拉伸变形，网格质量反而更差。正确做法是先量测实际缝隙宽度，再取略大于该宽度、但远小于最小特征尺寸的值。

三、参数化建模：为优化留出可驱动的变量

参数化的核心是把“设计意图”翻译成可变的尺寸与约束。以支架板为例，可定义参数：板长 L=200 mm、板宽 W=120 mm、板厚 t=8 mm、减重孔直径 D=40 mm、孔中心距边距 e=25 mm。这些参数通过草图约束和特征尺寸关联，修改任一参数后模型自动重建。参数化建模要遵循三条原则：

1. 变量正交：每个参数只控制一个几何维度，避免一个尺寸同时被两个约束驱动。
2. 约束完备：草图必须完全约束，否则参数变化时几何会漂移，导致优化过程不可复现。
3. 命名规范：参数名使用“部位_物理量”格式，如 rib_height、hole_dia，便于在优化工具中批量映射。

参数化完成后，应做一次“参数扫描自检”：把每个参数在合理区间内取最小、标称、最大三档，重建模型并检查是否出现自相交或特征丢失。只有全部通过，模型才具备进入优化循环的资格。

四、网格划分策略与质量检查

网格不是越密越好，而是在关键区域足够密、非关键区域足够省。常用策略是：对高应力梯度区、接触面、薄壁厚度方向做局部加密；对远离关注区的实体采用较粗网格；厚度方向至少布置 2～3 层单元以捕捉弯曲应力。以支架板为例，全局尺寸取 6 mm，孔边与圆角处局部尺寸取 1.5 mm，厚度方向 8 mm 布置 3 层，单元尺寸约 2.7 mm。

网格质量检查关注以下指标：

质量检查后还要做网格无关性验证：把全局尺寸从 8 mm 依次降到 6、4、3 mm，观察最大等效应力或最大位移的变化。当结果变化小于 2% 时，可认为网格已收敛。这一步不能省略，否则无法区分“结果稳定”与“网格太粗掩盖了峰值”。

五、一份可执行的检查清单

把上述要点固化为检查表，可以在每次前处理时快速自检：

几何前处理的质量，最终会以两种方式暴露：要么在求解时因网格畸形而报错，要么在结果中因细节被过度简化而失真。把简化假设写清楚、把清理公差控制住、把参数约束做完整、把网格无关性验证做扎实，才能让后续的优化迭代建立在可信的模型之上。