3. 几何建模与清理
在 ANSYS Mechanical 的仿真流程中，几何模型是承载载荷、约束与网格的物理载体。几何质量直接决定网格能否顺利划分、求解能否收敛以及结果是否可信。本节围绕两个核心几何工具 DesignModeler（DM）与 SpaceClaim（SC）展开，重点讲解梁壳简化、几何修复与理想化处理的实际做法。
一、两个几何工具的分工
DesignModeler 采用特征树驱动的参数化建模方式，适合从草图出发构建规则几何，或对导入模型做参数化修改。它的强项在于“可回溯”：每一步拉伸、旋转、布尔运算都记录在特征树中，修改尺寸后模型自动重建。SpaceClaim 则采用直接建模（Direct Modeling）思路，不依赖特征历史，通过拉动面、移动面、填充、组合等操作直接编辑几何，特别适合处理导入的“哑几何”（无特征的 STEP/IGES 模型）。
工程实践中常见的分工是：用 SpaceClaim 做导入模型的快速修复与简化，用 DesignModeler 做参数化建模与后续参数联动。两者可通过 Workbench 的 Geometry 单元互相传递，也可在同一项目中按需切换。
二、梁壳实体简化：从三维到一维/二维
实体单元计算成本高，对于细长杆件和薄壁结构，用梁单元（Beam188/189）和壳单元（Shell181）替代实体能大幅降低自由度。简化的核心是“抽中面”与“抽梁线”。
壳简化：在 SpaceClaim 中使用“中间面”（Midsurface）工具，选择一对平行面，软件自动生成位于中面的曲面。对于等厚板壳，中面位置即厚度方向的中点。抽取后需检查面是否连续、是否有缺失或重叠。DesignModeler 中对应功能为 Tools → Mid-Surface，可指定面配对方式（自动/手动）和厚度来源。
梁简化：将细长实体抽取为线体。SpaceClaim 的“梁抽取”或 DM 的“概念 → 线体”可从实体边生成线体。梁的截面属性需在 Mechanical 中通过 Cross Section 指定，常用截面包括矩形、圆形、工字形等。若截面沿长度变化，需分段赋予不同截面。
简化判断依据：当构件长度与截面高度之比大于 10，且主要承受轴向力或弯曲时，可考虑梁单元；当板厚与面内最小尺寸之比小于 1/10，且主要承受面内或弯曲载荷时，可考虑壳单元。这些是经验阈值，实际需结合关注区域的应力梯度判断。
三、几何修复：让模型“干净”可网格化
导入的 CAD 模型常存在小面、碎边、缝隙、重叠面、尖角等缺陷，直接划分网格会失败或产生畸形单元。修复流程通常包括：
- 缝合（Stitch）：将相邻但未连接的面的边缝合成共享边，消除自由边。SpaceClaim 中“缝合”可设置公差，DM 中为 Tools → Merge。
- 填充孔洞（Fill Holes）：对不影响传力的工艺孔、小孔进行填充，减少网格局部加密。注意：若孔是关注对象（如螺栓孔），不可填充。
- 去除小面/短边（Small Faces / Short Edges）：设置阈值（如小于 0.5 mm 的面或边），批量删除或合并。
- 修复尖角与自相交：用“修复”工具中的“分割边”“合并面”处理，避免网格出现负体积。
修复后应检查几何的“水密性”：在 SpaceClaim 中查看是否有自由边、多重边；在 DM 中查看特征树是否报错。一个干净的几何应满足：无自由边、无重叠面、无零厚度区域。
四、理想化处理：为分析目标服务
理想化不是“简化到失真”，而是“保留主要传力路径，忽略次要细节”。常见处理包括：
- 对称简化：利用对称面取 1/2 或 1/4 模型，施加对称边界条件，减少计算量。
- 细节抑制：倒角、圆角、小凸台、螺纹等对整体刚度影响小，可抑制。但若关注疲劳或接触应力，倒角必须保留。
- 刚域/远程点：用刚性区域或远程点替代螺栓连接、轴承支撑，简化接触建模。
- 中面偏置：壳单元的中面若与实体中性面不重合，需在 Mechanical 中设置偏置量，保证弯曲刚度正确。
五、典型操作闭环示例
以一个带安装孔的支架为例：导入 STEP 后，先用 SpaceClaim 检查自由边，发现孔边有 0.2 mm 缝隙，用缝合公差 0.3 mm 修复；将 4 个 M8 安装孔填充（因关注整体刚度，孔边应力非重点）；抽取中面得到壳模型，厚度 6 mm；在 Mechanical 中赋予 Shell181，设置厚度 6 mm，中面偏置为 0。网格划分后检查单元质量：雅可比比大于 0.7，翘曲度小于 5°。若出现负体积，回到几何检查重叠面或尖角。
六、常见问题与判断依据
| 现象 | 可能原因 | 处理方式 |
|---|---|---|
| 网格划分失败，提示“无法划分” | 存在自由边、重叠面或零厚度区域 | 用缝合、填充孔、去除小面修复；检查几何水密性 |
| 壳单元弯曲刚度偏小 | 中面偏置未设置或厚度方向错误 | 在 Mechanical 中设置 Shell Offset，确认厚度方向 |
| 梁单元应力异常 | 截面方向或偏置不正确 | 检查 Cross Section 的 Orientation 和 Offset |
| 局部应力过高但整体变形合理 | 倒角/圆角被抑制 | 若关注疲劳，恢复倒角并局部加密网格 |
几何清理没有“一键完美”的方案，核心是理解分析目标：哪些特征承载主要传力、哪些只是工艺细节。每一次抑制、缝合、抽取都应能回答“为什么这样做”以及“对结果可能有什么影响”。把几何处理过程记录清楚，后续网格与求解才有可靠的基础。