4. 几何建模与简化处理
跌落冲击仿真的几何模型与静力分析有本质区别：它面对的是短时、大位移、强非线性接触问题，几何细节对求解时间步长、接触搜索效率和网格质量的影响被显著放大。一个在静力分析中无关紧要的 0.5 mm 小圆角，在显式动力学中可能把最小单元尺寸压到 0.1 mm 以下，使临界时间步长下降一个数量级。因此，几何建模阶段的核心任务不是"把 CAD 原样搬进来"，而是在保留力学响应特征的前提下，主动削减几何复杂度。
4.1 几何清理：先消除"脏几何"再谈简化
从外部 CAD 导入的模型通常带有大量与仿真无关的缺陷：微小面片、重复面、缝隙、尖角、非流形边、短边和微小圆角。这些缺陷在网格划分时会直接导致失败或产生畸形单元。ANSYS SpaceClaim 与 Discovery 提供了针对性的清理工具，常用操作与判断标准如下：
- 重复面与内部面：用"重复面"检测工具识别共面重叠的面，直接删除多余面。跌落模型中常见于装配体导入后零件贴合面残留。
- 缝隙与短边：用"缝隙"工具缝合小于设定容差（如 0.05 mm）的间隙；用"短边"工具合并长度小于 0.1 mm 的边，避免网格在此处被迫细化。
- 小面与尖角：用"小面"工具按面积阈值（如 0.01 mm²）合并碎面；尖角处若夹角小于 15°，应倒圆或直接切除。
- 非流形边：用"修复"选项卡中的"非流形边"检查，将 T 型连接处拆分为独立实体或补面。
清理顺序建议为：先修缝隙与短边，再处理重复面与小面，最后检查非流形边。原因是前一步的缝合可能改变拓扑，导致后续检测结果变化。
4.2 倒角与圆角处理：该删的删，该留的留
跌落仿真中，圆角并非一律删除。判断依据是该圆角是否位于接触区、是否影响局部刚度、是否控制最小单元尺寸。可按以下原则处理：
| 圆角类型 | 典型尺寸 | 处理方式 | 理由 |
|---|---|---|---|
| 非接触区装饰圆角 | R < 1 mm | 删除（去特征） | 不影响响应，却压缩时间步长 |
| 接触区倒角 | R = 1～3 mm | 保留，局部加密 | 影响接触压力分布与应力集中 |
| 结构过渡圆角 | R ≥ 3 mm | 保留，可适当简化 | 影响整体刚度与失效位置 |
| 螺纹、文字、标识 | — | 全部删除 | 无力学意义，严重恶化网格 |
在 SpaceClaim 中可用"去除特征"批量删除小圆角，或用"圆角"工具重建简化圆角。删除后应检查相邻面是否产生新的尖角或缝隙，必要时用"填充"或"拉伸"修补。
4.3 薄壁结构抽取中面
手机外壳、电池盖、显示屏支架等薄壁件，若按实体建模，厚度方向至少需要 2～3 层单元，单元数量急剧膨胀。抽取中面后用壳单元（SHELL181 或显式 SHELL163）建模，可把厚度方向的自由度压缩为面内自由度，计算量通常下降 60%～80%。
抽取中面的关键控制参数是厚度容差与配对面识别。以 1.2 mm 厚手机中框为例，设置厚度搜索范围 0.8～1.6 mm，软件自动识别上下表面并生成中面。抽取后必须检查：
- 中面是否连续，有无断裂或重叠；
- 厚度是否被正确继承（可在壳属性中查看）；
- 中面与原实体的边界是否对齐，避免装配干涉。
对于厚度变化剧烈的区域（如加强筋根部），中面法可能失真，此时应保留局部实体或改用实体-壳混合建模。
4.4 刚体与柔性体划分
跌落仿真中并非所有零件都需要柔性体。刚体化可大幅减少自由度，但必须保证刚体化不影响关键响应。划分原则：
- 刚体：刚度远大于被关注区域、自身变形可忽略的零件，如跌落地面、夹具、配重块、内部大质量模块。
- 柔性体：直接参与接触、可能发生塑性变形或断裂的零件，如外壳、卡扣、屏幕、电池。
- 边界判断：若某零件第一阶固有频率远高于冲击载荷主要频率分量（通常 > 5 倍），可考虑刚体化。
在 ANSYS 中，刚体通过"刚体动力学"属性或显式动力学中的刚性体定义实现，需指定质量中心与转动惯量。刚体与柔性体之间用绑定接触或关节连接，避免出现无约束刚体导致求解发散。
4.5 几何修复工具的使用流程
SpaceClaim 的"修复"选项卡是跌落仿真几何准备的主力工具。推荐流程为：检查 → 修复 → 简化 → 验证。检查阶段用"问题"工具扫描全部缺陷；修复阶段按缝隙、短边、小面、非流形边顺序处理；简化阶段删除圆角、螺纹、标识并抽取中面；验证阶段用"体积"与"质量"检查几何是否闭合、是否与原始模型一致。
4.6 实操示例：手机中框几何准备
以某 6.7 英寸手机中框为例，原始 STEP 模型包含 47 个零件、约 3200 个面。按上述流程处理：
- 导入 SpaceClaim，运行"问题"检查，发现 12 处缝隙（最大 0.03 mm）、8 条短边（最短 0.06 mm）、3 个重复面。
- 用"缝隙"工具以 0.05 mm 容差缝合全部缝隙；用"短边"工具合并 0.1 mm 以下短边；删除 3 个重复面。
- 用"去除特征"批量删除 R < 1 mm 的装饰圆角共 156 处，保留 4 处接触区倒角（R = 1.5 mm）。
- 对中框、电池盖、屏幕支架抽取中面，厚度搜索范围设为 0.8～1.6 mm，共生成 3 个壳面。
- 将地面、夹具、配重块设为刚体；中框、屏幕、电池设为柔性体，刚柔之间用绑定接触连接。
- 验证：简化后模型体积为原始模型的 97.3%，质量偏差 2.7%，在可接受范围内；最小单元尺寸从 0.08 mm 提升至 0.35 mm，临界时间步长从 1.6×10⁻⁸ s 提升至 7.0×10⁻⁸ s。
几何建模与简化处理是跌落仿真中"磨刀不误砍柴工"的环节。清理、简化、中面抽取、刚柔划分四步做到位，后续的网格划分、接触定义和求解才能稳定高效。实际项目中，几何准备通常占整个仿真周期的 40%～60%，值得投入足够精力。